近日，中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所黎華研究員領(lǐng)銜的太赫茲光子學(xué)研究團(tuán)隊(duì)與華東師范大學(xué)曾和平教授、日本東京農(nóng)工大學(xué)張亞副教授合作，在太赫茲（THz）雙光梳雜化鎖定方面取得研究進(jìn)展。相關(guān)成果于2024年1月5發(fā)表在ACS Photonics期刊（Yiran Zhao, Ziping Li, Xuhong Ma, Kang Zhou, Wen Guan, Chenjie Wang, Shumin Wu, Han Liu, Wenjian Wan, J. C. Cao, Ya Zhang, Heping Zeng, and Hua Li, Stabilized Terahertz Quantum Cascade Laser Dual-comb Sources with a Hybrid Locking, ACS Photonics 2024, 11, 520），并被遴選為封面論文。

高穩(wěn)定THz半導(dǎo)體雙光梳在精密測(cè)量、傳感、通信等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。上海微系統(tǒng)所太赫茲光子學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在前期的工作中，基于半導(dǎo)體量子級(jí)聯(lián)激光器（quantum cascade laser, QCL），實(shí)現(xiàn)了自探測(cè)THz QCL雙光梳（ACS Photonics 2020, 7, 49）與片上雙光梳（Advanced Science 2019, 6, 1900460）；并進(jìn)一步采用微波雙注入（Physical Review Applied 2019, 12, 044068）、鎖相環(huán)（Laser & Photonics Reviews 2021, 15, 2000498; Advanced Photonics Nexus 2023, 2, 026006）、自參考（Laser & Photonics Reviews 2023, 17, 2200418）等方法，不斷提升了THz QCL雙光梳光源的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性。

在本工作中，針對(duì)THz QCL雙光梳穩(wěn)定度主要由雙光梳載波和雙光梳重頻決定的本質(zhì)特征，研究團(tuán)隊(duì)提出了雜化鎖定新方法，分別采用微波雙注入和鎖相環(huán)來鎖定雙光梳載波和重頻。圖1（a）為本工作提出的雜化鎖定工作原理示意圖。圖中三把鎖表示對(duì)兩個(gè)光頻梳重頻和一個(gè)雙光梳載波的鎖定。圖1（a）同時(shí)也完整示意出從THz到微波頻率的雙光梳頻率合成過程。圖1（b）為實(shí)驗(yàn)測(cè)量的在自由運(yùn)行、僅鎖相和雜化鎖定條件下的30秒“最大保持”雙光梳頻譜。由此可見，雜化鎖定可以實(shí)現(xiàn)對(duì)所有雙光梳梳齒的鎖定。僅肉眼就可以看出，雜化鎖定下雙光梳光譜是最穩(wěn)定的。圖1（c）進(jìn)一步給出雜化鎖定條件下2分鐘“最大保持”雙光梳頻譜，其與圖1（b）中在雜化鎖定條件下的30秒“最大保持”雙光梳頻譜幾乎一致，充分說明雜化鎖定可以實(shí)現(xiàn)THz雙光梳的長(zhǎng)時(shí)鎖定。圖1（d）、（e）、（f）分別給出了不同條件下測(cè)量得到的雙光梳頻率艾倫方差、幅度艾倫方差、相位噪聲的對(duì)比情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步證明雜化鎖定可以得到最優(yōu)化的頻率和幅度穩(wěn)定性以及相位噪聲。需要指出的是，在THz半導(dǎo)體雙光梳線寬指標(biāo)方面，通過多年的努力，研究團(tuán)隊(duì)將該指標(biāo)由自由運(yùn)行條件下的2-3 MHz（ACS Photonics 2020, 7, 49; Laser & Photonics Reviews 2021, 15, 2000498），壓縮到自參考穩(wěn)頻條件下的14.8 kHz（Laser & Photonics Reviews 2023, 17, 2200418），進(jìn)一步壓縮至本工作提出的雜化鎖定條件下的5.7 kHz。該雜化鎖定新方法有效提升了THz半導(dǎo)體雙光梳的長(zhǎng)時(shí)穩(wěn)定性，為其在THz光譜檢測(cè)、傳感、通信等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用奠定了重要基礎(chǔ)。

圖1（a）太赫茲半導(dǎo)體雙光梳雜化鎖定原理示意圖。其中fb1和fb2分別是兩個(gè)光頻梳的重復(fù)頻率，并分別被RF-1和RF-2微波注入鎖定?！鱢=fb2-fb1和為雙光梳重頻。（b）自由運(yùn)行、僅鎖相和雜化鎖定條件下實(shí)驗(yàn)測(cè)量得到的30秒“最大保持”雙光梳頻譜。（c）雜化鎖定條件下2分鐘“最大保持”雙光梳頻譜。（d）、（e）、（f）分別為不同條件下測(cè)量得到的雙光梳頻率艾倫方差、幅度艾倫方差、相位噪聲的對(duì)比。

圖2 論文封面

上海微系統(tǒng)所已畢業(yè)博士生趙逸然為論文第一作者，黎華研究員、曹俊誠(chéng)研究員、曾和平教授為論文共同通訊作者。該研究工作得到了國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（62325509, 62235019, 62022084, 61927813, 61991430）、中科院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團(tuán)隊(duì)計(jì)劃（YSBR-069）、中科院“從0到1”原始創(chuàng)新項(xiàng)目（ZDBS-LY-JSC009）、中科院科研儀器設(shè)備研制項(xiàng)目（YJKYYQ20200032）等支持。

論文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsphotonics.3c01379

封面鏈接：https://pubs.acs.org/toc/apchd5/11/2