太赫茲半導體激光器光注入鎖定研究取得進展

　　日前，中國科學院上海微系統與信息技術研究所研究團隊，在太赫茲量子級聯激光器光注入鎖定領域取得進展。研究團隊提出了太赫茲單模量子級聯激光器與光頻梳量子級聯激光器之間的光學互注入（MOI）鎖定方案，該方案在無需鎖相環、微波注入裝置等外部鎖定硬件的條件下，僅通過光學耦合即可實現頻率同步。

　　研究團隊率先在實驗上，實現了太赫茲波段單模量子級聯激光器與光頻梳量子級聯激光器的光學互注入鎖定。兩個量子級聯激光器來自同一晶圓，通過面對面方式安裝在Y型冷指上，實現雙向光學耦合。實驗中，研究團隊通過調節電流偏置，可調控單模量子級聯激光器與光頻梳量子級聯激光器的工作狀態，控制其頻率差，實現從未鎖定狀態至鎖定狀態的改變。未鎖定狀態下，兩個量子級聯激光器間呈弱耦合，單模量子級聯激光器與光頻梳梳齒發生拍頻，產生一系列射頻信號（fbn）。MOI 鎖定狀態下，單模量子級聯激光器與最靠近光頻梳的梳齒對齊，fbn信號消失，僅保留穩定的模間拍頻信號（frep及其諧波），鎖定帶寬由Δflock表示。

　　實驗表明，通過調節兩個量子級聯激光器之間的頻率失諧，可清晰觀察到MOI鎖定現象，且該現象在不同主從激光配置上表現出明顯的不對稱性：當單模量子級聯激光器作為主激光器時，光頻梳出現重復頻率偏移、線寬展寬及鎖定等擾動效應，最大鎖定帶寬約為30MHz；而當光頻梳量子級聯激光器作為主激光器時，不穩定區域受到抑制，鎖定帶寬擴展至94MHz。在鎖定范圍內，重復頻率的相位噪聲與阿倫方差均得到明顯改善，這表明光頻梳穩定性得到有效提升。這一緊湊的MOI鎖定方案為芯片級太赫茲光頻梳的穩定、光頻分應用奠定了基礎。

　　相關研究成果發表在《應用物理快報-光子學》（APL Photonics）上。研究工作得到國家自然科學基金委員會、科學技術部、中國科學院的支持。