近日，北京量子信息科学研究院（以下简称量子院）陆全勇团队与中国科学院半导体研究所刘峰奇团队合作，在中红外量子级联激光器(Quantum Cascade Laser, QCL)双光梳光谱技术上取得重大突破，为发展高集成度、低成本的中红外光谱传感技术开辟了新路径。相关研究成果以“Self-detecting mid-infrared dual comb spectroscopy based on high-speed injection-locked quantum cascade lasers”、“Longwave infrared dual-comb spectroscopy based on high power quantum cascade lasers”为题分别在线发表在《Advanced Photonics Research》、 《Infrared Physics & Technology》上。

QCL在特定的群速率色散条件下，可通过其强大的非线性锁定模式间相位关系从而实现频率调制的光频梳输出(Optical Frequency Comb, OFC)。这种QCL OFC已成为中红外波段的重要相干光源，在高速光谱分析、痕量气体传感及精密测量等领域具有广阔的应用前景。

中红外自探测双光梳的创新

现有的中红外QCL双光梳系统严重依赖昂贵且复杂的高速碲镉汞（MCT）光电探测器来捕获多外差信号，这极大地限制了其小型化和广泛应用。QCL本身具有皮秒量级的增益恢复时间和数十GHz的固有带宽，理论上具备高速光电响应的潜力。研究团队成功将这一潜力转化为现实，展示了一种紧凑型中红外自探测双光梳系统（图2），其核心器件是~4.6 μm 波长特殊设计的QCL。该激光器采用分区共面波导和耦合波导的混合单片集成结构，既解决了器件的色散问题，又实现了高速的射频注入锁定，获得了宽光谱、高功率、强相干的梳状光源。器件室温输出功率为700 mW，经射频注入光谱可以扩展到75 cm^-1，并且在电流动态范围的80%内实现了单一窄拍频信号（<1 kHz），证明了其强相干性光频梳状态。同时，器件倒焊在宽带设计的AlN高速图形化热沉上，展现出良好的高速特性，3 dB带宽为16.2 GHz。更重要的是，首次在自由运行状态下观测到高达40 GHz（对应四阶谐波）的射频响应带宽，为自探测双光梳系统提供了实验基础。有效的射频锁定还有效解决了光反馈问题，实现了基于QCL的高带宽自探测。这些发现揭示了基于集成芯片的系统能够执行宽带高分辨率双梳光谱的独特可能性。在不使用外部探测器和数值处理的情况下，观测到清晰稳定的多外差信号，其光谱范围为68 cm^-1，梳齿线宽为~10 kHz。这种自探测双光梳方案大幅简化了目前使用的系统的实验设置，并具有更高的带宽和信噪比，为基于QCL 自探测双光梳的新光谱应用铺平了道路，提高了分辨率，降低了成本和系统复杂性。该成果以封面文章形式发表（图1），第一作者为量子院博士后马钰，通讯作者为量子院研究员陆全勇。

长波红外双光梳光谱技术突破

长波红外（>9 μm）量子级联激光器长期受限于高波导损耗、高色散和低功率输出，难以满足高吸收样品的检测需求。本研究创新性地提出了等离子体增强脊形波导色散补偿方案，通过优化包层厚度与等离子增强层宽度，将波导色散（GVD）精准调控至–1500 fs²/mm，同步降低损耗至5 cm^-1。该设计避免了复杂外延再生工艺，采用MOCVD制备10.5 μm宽Fe:InP埋层波导，显著提升器件可靠性。器件室温连续波输出功率达1.06 W，光学光谱范围>50 cm^-1，光电转换效率6.4%，150余梳齿平均功率5 mW；自由运行下模间拍频线宽<1 kHz ，展现了卓越的性能表现。研究团队还构建了紧凑型双光梳系统，并进行了相关光谱测试（图3），成功实现： 1）GaAs标准具透射谱：35 cm^-1宽带测量（200 MHz分辨率），与仿真结果高度吻合； 2）NH₃气体吸收谱：在1065.6 cm^-1强吸收线处（透射率0.13）实现400 MHz分辨率检测，Voigt拟合残差均方根值（RMS）低至0.04； 3）卓越稳定性：系统Allan偏差达2×10^-4（1 ms积分时间），提升50%以上。该双梳系统以其紧凑型、高功率、宽带特性，展现出在大气高传输系统中的巨大潜力，尤其适用于高吸收样品测量与遥感等领域。