近日，北京量子信息科學研究院陸全勇團隊與中國科學院半導體研究所劉峰奇、張錦川團隊合作，在中紅外微腔光頻梳研究方面取得重要進展，首次提出并實現了一種工作在室溫條件下的中紅外定向輻射微腔量子級聯激光器（QCL）光學頻率梳，成功解決了傳統環形微腔光源光提取效率低、定向發射能力差等難題，為中紅外光頻梳光譜學及亞太赫茲通信提供了一個極具前景的高性能單片集成平臺。2026年5月26日，相關成果以“基于量子級聯激光器的破缺型微腔光頻梳”（Notched microcomb based on a quantum-cascade laser）為題，發表在《光學》（Optica）上。
研究團隊巧妙地設計了一種新型微腔拓撲結構，該結構主要由一個離心率約1.2的橢圓環形諧振腔構成，并在其短軸與外邊界的交匯處精細構筑了一個半橢圓形的“缺口”（Notch）作為散射點，如圖1所示。
圖1 破缺型中紅外微腔結構的設計
該器件展現出卓越的散熱與橫向限制。器件內部邊界采用濕法刻蝕并重新填充Fe:InP襯底，提供了極佳的橫向散熱通道，使其能夠在室溫連續波模式下高效運行。外邊界則通過感應耦合等離子體（ICP）干法刻蝕形成高品質因數的回音壁模式（WGM）。由于缺口破壞了對稱性，部分光場在此處折射，借助橢圓腔固有的準直聚焦效應，可實現超窄定向輻射。實驗結果表明，該器件在室溫連續波模式下可穩定工作，輸出波長約7.5 μm，閾值電流約0.71 A，最大輸出功率達14.1 mW，水平遠場發散角僅約1.2°，表現出優異的定向輸出特性。
如圖2所示，當驅動電流超過0.92 A時，器件開始進入自啟動頻率梳狀態。實驗測得的拍頻信號中心頻率約為32.4 GHz。在較寬電流范圍內，拍頻線寬始終保持在600 Hz以下，表明頻率梳模式之間具有良好的相位鎖定關系。更重要的是，這個微小的缺口可作為“背向散射點”，促使微腔內順時針（CW）和逆時針（CCW）模式之間產生耦合，在適當得泵浦電平下能誘導并穩定腔內相干局域脈沖結構。
圖2 光譜圖和射頻模間拍頻
此外，配合基于立復金茲堡-朗道方程（CGLE）的數值模擬，研究團隊在同一器件中成功觀測到不同階數的準孤子狀態與高階諧波光梳（HFCs）狀態隨驅動電流的變化。如圖3所示，諧波梳頻率間隔分別高達97 GHz（3-FSR）、162 GHz（5-FSR）和227 GHz（7-FSR）。這種可以在fundamental模式和harmonic模式共存的準諧波（Quasi-harmonic）獨特性質，極大豐富了微腔內的非線性動力學研究。
圖3 數值模擬與實驗光譜
該論文第一作者為北京量子信息科學研究院實習生、中國科學院半導體研究所博士生吳大鵬。該工作得到國家自然科學基金、中國科學院青年創新促進會、北京市自然科學基金等項目的支持。
原文鏈接：
https://doi.org/10.1364/OPTICA.585839
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