[论文解读] Coherent Control of Mid-Infrared Frequency Comb by Optical Injection of Near-Infrared Light

Kenichi N. Komagata, Alexandre Parriaux+6 more|arXiv (Cornell University)|May 2, 2023

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 1

一句话总结

本论文通过低功率近红外（NIR）激光的光注入，实现了对量子级联激光器（QCL）中红外频率梳的相干控制。通过调制NIR光束的强度，作者实现了2 MHz的锁定带宽和200 mrad的残余相位噪声，绕过了电驱动的限制，实现了将梳线频率紧密锁定至分布式反馈（DFB）激光器。

ABSTRACT

We demonstrate the use of a low power near-infrared laser illuminating the front facet of a quantum cascade laser (QCL) as an optical actuator for the coherent control of a mid-infrared frequency comb. We show that by appropriate current control of the QCL comb and intensity modulation of the near-infrared laser, a tight phase lock of a comb line to a distributed feedback laser is possible with 2 MHz of locking bandwidth and 200 mrad of residual phase noise. A characterization of the whole scheme is provided showing the limits of the electrical actuation which we bypassed using the optical actuation. Both comb degrees of freedom can be locked by performing electrical injection locking of the repetition rate in parallel. However, we show that the QCL acts as a fast near-infrared light detector such that injection locking can also be achieved through modulation of the near-infrared light. These results on the coherent control of a quantum cascade laser frequency comb are particularly interesting for coherent averaging in dual-comb spectroscopy and for mid-infrared frequency comb applications requiring high spectral purity.

研究动机与目标

• 克服中红外QCL频率梳中电驱动性能受限的问题。
• 研究近红外光注入作为更快、更有效的相干控制方法的可行性。
• 通过单个光学驱动器实现对梳线频率和重复频率的双重锁定。
• 实现高光谱纯度和相位稳定性，以适用于双梳光谱学和光频合成。

提出的方法

• 在中红外QCL梳的前表面注入波长为1550 nm的低功率近红外激光。
• 通过射频调制NIR光束强度，实现对QCL梳的相位和重复频率的控制。
• 使用分布式反馈（DFB）QCL作为相位锁定的稳定参考。
• 通过调节QCL的电注入电流设定工作点并稳定梳状结构。
• 表征光学驱动的传递函数，并与电驱动进行比较。
• 通过光学调制与电注入的结合，实现对梳线频率和重复频率的同步锁定。

实验结果

研究问题

• RQ1 近红外光注入是否能比电流传导调制在QCL梳中实现更快、更有效的相位锁定？
• RQ2 电驱动在QCL梳稳定中的限制是什么？光注入能否突破这些限制？
• RQ3 能否通过单个光学驱动器同时相干控制梳线频率和重复频率？
• RQ4 在锁定带宽和相位噪声方面，光注入方案与电驱动相比表现如何？

主要发现

• 近红外激光的光注入使QCL梳线对DFB激光的相位锁定带宽达到2 MHz。
• 残余相位噪声降低至200 mrad，证明了高光谱纯度。
• QCL作为快速近红外光电探测器，通过调制NIR光束强度实现了有效的注入锁定。
• 通过调制NIR光的强度，成功实现了对QCL梳重复频率的注入锁定。
• 该光学驱动方案通过在更快时间尺度上运行，避开了电流传导控制的固有噪声限制。
• 通过光学与电注入的结合，实现了对梳状结构两个自由度——线频和重复频率——的同步锁定。