太赫兹混沌激光，取得进展

近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所集成电路材料全国重点实验室黎华研究员团队与华东师范大学曾和平教授团队、意大利都灵理工大学Lorenzo Columbo教授合作，在太赫兹（THz）量子级联激光器（QCL）混沌领域取得重要进展。

相关成果以“Terahertz semiconductor laser chaos”为题发表在《Nature Communications》上。论文第一作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所刘彬彬、悉尼大学Carlo Silvestri博士及中国科学院上海微系统与信息技术研究所周康博士，通讯作者为中国科学院上海微系统与信息技术研究所黎华研究员、华东师范大学曾和平教授和意大利都灵理工大学Lorenzo Columbo教授。

在无需外部光学反馈或光注入等复杂扰动条件下，研究团队仅通过单一电流调控实现并验证了自由运行THz QCL的混沌产生。进一步，团队构建了基于Maxwell–Bloch方程的完整模型与基于复Ginzburg–Landau方程的简化模型，揭示了混沌形成的物理机制源于群速度色散（group velocity dispersion, GVD）与线宽增强因子（α因子）协同驱动的缺陷介导湍流。该研究为突破太赫兹混沌光源的关键技术瓶颈、深入探索自由运行多模THz QCL的内在物理机制、以及发展结构紧凑且高度可调的实用化THz混沌光源奠定了重要基础。

研究团队率先在实验上实现并验证了自由运行THz QCL的混沌产生。通过调谐激光器电流，实验中观测到模间拍频信号由单一窄线宽状态至多边带状态并最终呈现超宽线宽特征的演化过程（图1a），并测量了对应的时域信号（图1b）和相图（图1c）。进一步通过李亚普若夫指数（图1d）与关联维度（图1e）的计算，证明了THz混沌的产生。

图1. 自由运行THz QCL混沌信号实验测量结果。实验展示了不同驱动电流下模间拍频信号的（a）频谱、（b）时域谱、（c）相图、（d）最大李亚普诺夫指数和（e）计算的关联维度。

针对自由运行THz QCL的混沌产生机制，团队构建了基于Maxwell–Bloch方程的完整模型和基于复Ginzburg–Landau方程的简化模型开展研究。结果表明，α因子的增大可导致THz QCL从稳定态过渡至混沌态，而GVD的调控对混沌态频谱特性也有显著影响。进一步分析揭示了混沌形成的物理根源：在THz QCL以光频梳模式工作时，时域信号的幅值与相位呈周期性变化（图2a和2b）；而当进入混沌态时，幅值与相位均表现出强烈的随机性和不规则性（图2c和2d）。最重要的是幅值为零的缺陷点出现，且这些缺陷点在非线性系统中传播，引发更多的随机相位与幅值波动，进一步产生新缺陷，最终导致系统演化为高度无序的混沌态（图2e和2f）。研究指出缺陷介导湍流（Defect-Mediated Turbulence）是自由运行THz QCL中产生混沌行为的内在物理机制。

图2. THz QCL幅值和相位随时间的演化。（a, b）光频梳状态下的幅值和相位变化。（c, d）混沌状态下的幅值和相位变化。（e, f）混沌状态下场幅值与相位的时空映射。底部插图展示了（e）和（f）中矩形区域的放大图，其中幅值缺陷和相位位错用黑色圆圈标记。