上海微系统所在太赫兹半导体激光器光注入锁定方面取得进展

图1. (a)THz 单模QCL(QCL1)与光频梳QCL(QCL2)之间的光学互注入锁定实验装置示意图图。(b)未锁定状态与(c)锁定状态的频谱示意图(左：THz波段，右：射频波段)。

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所黎华研究员团队在太赫兹(THz)量子级联激光器(QCL)光注入锁定领域取得重要进展。该研究提出了一种THz单模QCL与光频梳QCL之间的光学互注入(MOI)锁定方案，在无需外部锁定硬件(如锁相环、微波注入装置)的条件下，仅通过光学耦合即可实现频率同步。实验结果表明，当调节两个QCL之间的频率失谐时，可以清晰观察到MOI锁定现象，且在不同的主从激光配置上表现出明显的不对称性：当单模QCL作为主激光器时，光频梳受到扰动，如重复频率偏移、线宽展宽及锁定，最大锁定带宽约为30 MHz;而当光频梳QCL作为主激光器时，不稳定区域被抑制，锁定带宽显著扩展至94 MHz。在锁定范围内，重复频率的相位噪声和阿伦方差显著改善，表明光频梳的稳定性提高。这一紧凑的MOI锁定方案为芯片级THz光频梳的稳定、光频分应用奠定了基础。该成果于2026年3月10日以“Mutual optical injection locking dynamics between a terahertz single-mode laser and a frequency comb laser”为题在线发表在《APL Photonics》期刊，并被遴选为Featured Article。

研究团队率先在实验上实现了THz波段单模QCL与光频梳QCL的光学互注入锁定。两个QCL 来自同一晶圆，通过面对面安装在 Y 型冷指上实现双向光学耦合(图1a)。实验中，单模 QCL 与光频梳 QCL 的状态通过调节电流偏置得到，可以控制两台激光器的频率差，实现从未锁定状态(图1b)至锁定(图1c)状态的改变。未锁定状态下，两个QCL之间弱耦合，单模 QCL与光频梳的梳齿发生拍频，产生一系列射频信号(fbn)。MOI 锁定状态表示单模 QCL 与最靠近光频梳的梳齿对齐，fbn信号消失，仅保留稳定的模间拍频信号(frep及其谐波)，锁定带宽由Δflock表示。

图 2 展示了当单模 QCL作为主激光器时，MOI的动态演化过程。系统经历四个不同状态：远失谐状态下(I区域)，两个QCL发生耦合，单模与光频梳的梳齿拍频得到下转换的拍频信号fbn(见图2a-c)，此时光频梳为自由运行状态，表现为在一定范围内波动(见图2d);频率牵引状态(II区域)，光耦合导致频率偏移并产生许多边带;MOI 锁定状态(III区域)，单模激光与光频梳最近的梳齿同步，拍频信号fbn消失，仅剩重复频率及其谐波，锁定带宽约 30 MHz，并伴随重复频率线宽显著收窄;重频展宽状态(IV区域)，锁定消失，重复频率发生展宽(20 MHz)，呈现剧烈抖动。图2(e) 清楚展示了对应于图2(b)中五角星位置的四个典型状态下的频谱特征。

图2. 单模THz QCL与光频梳THz QCL之间的光学互注入实验测量结果(以单模QCL为主激光器)。(a)–(c) 调节主激光器 QCL1 的电流，拍频信号  fb1、重复频率 frep及二次谐波 2frep附近频谱的演化，具体显示了自由运行、频率牵引、锁定和重频展宽四个状态。 (d) 高分辨率 frep频谱随主激光器 QCL1 电流的变化。(e) 对应于图(b)中五角星位置的四个典型状态下的射频频谱。

相关研究成果发表在《应用物理快报-光子学》(APL Photonics)上。研究工作得到国家自然科学基金委员会、科学技术部、中国科学院的支持。

审核编辑 黄宇