【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院上海微系統與信息技術研究所黎華研究員團隊與華東師范大學曾和平教授團隊、日本東京農工大學張亞副教授合作，提出了一種基于法里樹鎖定的太赫茲量子級聯激光光頻梳穩頻方法。通過法里分數頻率與腔往返頻率的競爭，實現了太赫茲光頻梳重復頻率的鎖定，并根據法里數學運算法則能精準預測可實現光頻梳鎖定的法里分數頻率。該工作提出的法里樹鎖定方法能夠有效抑制射頻源引入的相位噪聲，并且由于法里分數頻率遠低于光頻梳重頻，該注入鎖定可顯著降低微波組件的工作帶寬需求。該方法為開發緊湊和低相位噪聲太赫茲光頻梳源開辟了新的途徑，對推動高精度太赫茲光譜計量、成像及通信技術的發展具有重要意義。該成果于2025年3月31日以“Farey tree locking of terahertz quantum cascade laser frequency combs”為題在線發表在國際頂尖光學期刊《Light: Science & Applications》上。
圖1. THz QCL光頻梳中觀察到的法里樹結構和典型的模間拍頻譜
研究團隊深入研究了太赫茲量子級聯激光器(THz QCL)光頻梳在射頻注入下的法里樹鎖定現象。采用THz QCL激光自探測方法，檢測模間拍頻信號(光頻梳重頻)并確認其鎖定狀態。由射頻源產生的調制信號通過環行器和直流偏置器注入在QCL芯片中。鎖定狀態下對應的環繞數(調制頻率與重復頻率之比)是一系列在0 ~1范圍內的法里分數。基于法里數學運算法則：m/n⊕p/q=(m+p)/(n+q)，能夠生成新的用于注入鎖定的法里分數。對比自由運轉狀態，法里樹鎖定狀態下的電學模間拍頻線寬顯著變窄且信噪比提升了約10 dB(見圖1b-d)，其相位噪聲也有顯著改善。
進一步，研究團隊通過步進改變調制頻率來記錄THz QCL光頻梳從自由運轉狀態過渡到法里樹鎖定狀態的動態過程，并在其中觀察到了“魔鬼階梯”這一分形現象。圖2a為與法里樹結構相對應的10級鎖定臺階。每個臺階的寬度對應于給定環繞數(或法里分數)的鎖定帶寬，且隨著環繞數的分母增加，鎖定帶寬逐漸縮小。此外，基于魔鬼階梯的分形現象，進一步的減小調諧步長可以觀察到新的鎖定臺階。圖2b展示了2/5,2/3和4/5這三級臺階的鎖定動態過程：在鎖定帶寬內，THz QCL光頻梳的重頻隨調制頻率增大而線性增加，斜率為法里分數的倒數。
圖2. 法里樹鎖定臺階及部分臺階對應的鎖定動態過程
最后，研究團隊基于法里樹鎖定獲得了低相位噪聲的雙光梳光譜。如圖3所示，分別應用兩個不同的法里分數來鎖定THz QCL光頻梳Comb 1和Comb 2的重復頻率。Comb 2本身既作為THz光源，也作為高速THz混頻器來測量多外差雙光梳信號。對比自由運轉狀態，法里樹鎖定狀態下雙光梳梳齒相位噪聲降低100 dBc/Hz @ 10 Hz(圖3d)。基于法里樹鎖定的低相噪THz雙光梳在高精度光譜測量、成像等領域具有重要應用潛力。
圖3. 法里樹鎖定THz雙光梳實驗裝置與結果
論文第一作者為中國科學院上海微系統與信息技術研究所博士研究生劉貴賓，通訊作者為中國科學院上海微系統與信息技術研究所黎華研究員和華東師范大學曾和平教授。該研究工作得到了國家杰出青年科學基金項目(62325509)、國家自然科學基金重點項目(62235019和62035005)、科技創新2030重大項目(2023ZD031000)、中國科學院“從0到1”原始創新項目(ZDBS-LY-JSC009)、中國科學院穩定支持基礎研究領域青年團隊計劃(YSBR-069)等支持。
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