《先进光子学研究》（Advanced Photonics Research）最近发表的一篇文章介绍了一种中红外双梳光谱（DCS）系统，该系统无需外部光电探测器。研究人员开发了一种基于高速注入锁定量子级联激光器（QCL）的自检测装置。

这种方法简化了系统架构，同时提高了光谱分辨率、带宽和信噪比 (SNR)。目标是提高传感和光谱DCS 平台的稳定性并降低复杂性。

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中红外双梳光谱学的进展

DCS是一种先进的光学测量技术，它使用两个重复率略有不同的频率梳来获取光谱数据，无需移动部件。它非常适合中红外（mid-IR）波长，因为许多分子具有对化学和环境传感至关重要的特征吸收特性。

光频梳 (OFC) 提供间距均匀、相位相干的线路，支持计量和通信等一系列应用的精确测量。

量子级联激光器 (QCL) 因其宽光谱带宽、快速增益恢复以及产生频率梳的能力，已成为重要的中红外光源。将其集成到现有的 DCS 系统中，有望显著提高测量速度和精度。

然而，传统的DCS装置严重依赖高带宽外部光电探测器，这增加了系统的复杂性和成本。本研究通过将探测功能集成到QCL结构本身，解决了这些局限性。

关于本研究：研究自检测双梳

本文介绍了一种紧凑型自检测DCS系统，该系统采用工作波长接近4.6 μm的高速、色散优化的量子级联激光器（QCL）。该系统基于混合单片集成波导（HMIWG）结构，支持高效的射频（RF）注入锁定和群速度色散（GVD）工程。

研究人员设计了一种集成多模耦合波导的隔离共面波导，以实现高速射频信号注入。这种架构允许DCS系统自行检测多外差信号，而无需完全依赖外部光电探测器，从而简化了实验装置。

该研究对HMIWG器件在不同条件下的性能进行了表征，包括在不同控制温度下的连续波(CW)工作。研究采用了水冷平台、热电冷却器、光-电流-电压(LIV)测量和微波整流技术来评估器件行为。

主要发现：利用自检测双梳的影响

结果表明，自检测 DCS 系统实现了 68 cm?1 的宽光谱覆盖和约 10 kHz 的窄梳齿线宽，无需外部探测器或数值后处理。

使用射频注入锁定可以直接从 QCL 进行高速光电检测，提供高达 40.20 GHz 的宽带射频带宽，即使在光反馈下也能稳定运行。

HMIWG器件在10°C下输出约700mW的连续波功率，阈值电流密度为2.05kA/cm2 。观察到的-3dB带宽为16.2GHz，超越了传统设计，展现出卓越的性能。

多外差信号表现出25-40 dB的高信噪比，远优于传统的DCS系统。在1 kHz以下测量了拍音线宽，表明模间相干性强，并证实了稳定的频率梳工作。该系统还支持高达四阶谐波态的注入锁定，表明其光谱带宽可调且稳定性高。

分子传感及其他领域的实际应用

该系统简化的架构和性能特点使其非常适合中红外光谱应用。其高分辨率和宽光谱覆盖范围能够准确识别复杂样品中的分子种类。这在气体传感、化学分析和生物医学诊断领域尤为重要。

高速检测能力可实时监测大气气体成分等动态变化。紧凑的独立设计也降低了系统成本，并易于集成到现场可部署平台中。其潜在的扩展应用包括电信和量子系统，在这些领域中，频率相干性和紧凑性也至关重要。

结论与展望

本研究展示了一种基于注入锁定量子级联激光器 (QCL) 和集成波导结构的自检测中红外双梳系统。该系统结合了色散工程和高速射频设计，无需外部光电探测或信号重建，即可提供高输出功率、宽??带宽和窄梳线宽。

未来的发展可能包括与外部频率参考的集成，以及针对特定应用的传感任务的进一步定制。这些改进将支持紧凑型双梳平台在光谱学、诊断和监测领域的部署，同时拓展其在量子传感和光通信等精密技术领域的应用。