【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所黎華研究員團隊與華東師范大學(xué)曾和平教授團隊、日本東京農(nóng)工大學(xué)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(lián)激光光頻梳穩(wěn)頻方法。通過法里分數(shù)頻率與腔往返頻率的競爭，實現(xiàn)了太赫茲光頻梳重復(fù)頻率的鎖定，并根據(jù)法里數(shù)學(xué)運算法則能精準預(yù)測可實現(xiàn)光頻梳鎖定的法里分數(shù)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(shù)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(fā)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(shù)的發(fā)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(fā)表在國際頂尖光學(xué)期刊《Light: Science & Applications》上。
 

圖1. THz QCL光頻梳中觀察到的法里樹結(jié)構(gòu)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(lián)激光器(THz QCL)光頻梳在射頻注入下的法里樹鎖定現(xiàn)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(tài)。由射頻源產(chǎn)生的調(diào)制信號通過環(huán)行器和直流偏置器注入在QCL芯片中。鎖定狀態(tài)下對應(yīng)的環(huán)繞數(shù)(調(diào)制頻率與重復(fù)頻率之比)是一系列在0 ~1范圍內(nèi)的法里分數(shù)。基于法里數(shù)學(xué)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(shù)。對比自由運轉(zhuǎn)狀態(tài)，法里樹鎖定狀態(tài)下的電學(xué)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(diào)制頻率來記錄THz QCL光頻梳從自由運轉(zhuǎn)狀態(tài)過渡到法里樹鎖定狀態(tài)的動態(tài)過程，并在其中觀察到了“魔鬼階梯”這一分形現(xiàn)象。圖2a為與法里樹結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的10級鎖定臺階。每個臺階的寬度對應(yīng)于給定環(huán)繞數(shù)(或法里分數(shù))的鎖定帶寬，且隨著環(huán)繞數(shù)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(xiàn)象，進一步的減小調(diào)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(tài)過程：在鎖定帶寬內(nèi)，THz QCL光頻梳的重頻隨調(diào)制頻率增大而線性增加，斜率為法里分數(shù)的倒數(shù)。
 

圖2. 法里樹鎖定臺階及部分臺階對應(yīng)的鎖定動態(tài)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(yīng)用兩個不同的法里分數(shù)來鎖定THz QCL光頻梳Comb 1和Comb 2的重復(fù)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(zhuǎn)狀態(tài)，法里樹鎖定狀態(tài)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(lǐng)域具有重要應(yīng)用潛力。
 

圖3. 法里樹鎖定THz雙光梳實驗裝置與結(jié)果
 

　　論文第一作者為中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所博士研究生劉貴賓，通訊作者為中國科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所黎華研究員和華東師范大學(xué)曾和平教授。該研究工作得到了國家杰出青年科學(xué)基金項目(62325509)、國家自然科學(xué)基金重點項目(62235019和62035005)、科技創(chuàng)新2030重大項目(2023ZD031000)、中國科學(xué)院“從0到1”原始創(chuàng)新項目(ZDBS-LY-JSC009)、中國科學(xué)院穩(wěn)定支持基礎(chǔ)研究領(lǐng)域青年團隊計劃(YSBR-069)等支持。