基于石墨烯-氮化硅谐振腔的电光可调频率梳

光学频率梳以不连续的等间隔频率发射光脉冲，是现代频率计量学、精密光谱学、天文观测、超快光学和量子信息的基础。最近美国加州大学洛杉矶分校教授Xiangfeng Duan（段镶峰）、美国加利福尼亚大学洛杉矶分校教授Chee Wei Wong、电子科技大学副教授Baicheng Yao（姚佰承）和美国科罗拉多大学博尔德分校助理教授Shu-Wei Huang等人以克尔和拉曼非线性的芯片级频率梳为基础，设计了超高质量因子的单片微谐振器，在光学时钟和时间腔孤子的观测方面取得了进展。相关工作发表在近期的《Nature》杂志上。

无论是在微腔还是纤维腔中，决定光梳形成的激光腔内的色散通常难以用电场调谐。这种电动控制可以将光学频率梳和光电子相连，使得一个谐振器中的各种梳状输出具有快速和方便的可调性。石墨烯具有独特的费米-狄拉克可调性和超高速载流子迁移率，其光学电导率决定了其复杂的光学色散。这种光学色散可以通过栅极电压进行调谐，这促进了光电子技术的进步，如调制器、光电探测器和可控等离子体。

研究者通过将栅极可调光导与氮化硅光子微谐振器耦合，从而通过改变费米能级来调制其二阶和更高阶色散来证明石墨烯基光学频率梳的门控腔内的可调谐性。

双层离子-凝胶门控晶体管在单伏安控制下，调节石墨烯在0.45-0.65电子伏特范围内的费米能级，在基于石墨烯的梳状结构中保留了高达10⁶的空腔质量因子。他们用这一方法来产生电荷可调的主梳线，相干克尔频率梳、可控的切伦科夫辐射和可控的孤子态从2.3THz 到7.2THz 都在一个单一的微腔中。研究人员进一步通过二次谐波自相干实验证明：能够通过电压调控的方法，实现从周期性光孤子晶体到缺陷晶体的转变。这种结合了单原子层纳米科学和超快光电子的异质石墨烯微腔将有助于我们更好地理解动态频率梳和超快光学。

a GMR的示意结构，氮化硅用灰色表示。氮化物微谐振器中掺入石墨烯/离子凝胶异质结构。

b石墨烯-氮化物异质波导的电场分布，其Si₃N₄横截面积为1.2×0.8μm²。Si₃N₄波导与石墨烯层之间的距离为100nm。石墨烯和顶栅探针与层间离子凝胶电容器相隔1μm。在这种结构中，应用横向电波（TE）模式。

c光学显微照片显示母线波导（红色箭头），环形谐振器和Au / Ti金属化图案。 蚀刻窗口旨在确保石墨烯与光的相互作用并降低传播损耗。这里石墨烯覆盖的区域由灰色虚线框标记：蚀刻窗口标签是指两条中心线之间的整个水平区域。CW：连续波；MI：调制强度。比例尺，100微米。

d根据其费米能级计算石墨烯的速度色散和三阶色散。这里曲线表示|E_F|=0.5eV和|E_F|=0.6eV对应于实验条件，分别以黄色和红色突出显示。

eGMR中的模拟克尔梳动力学，具有由石墨烯费米能级确定的不同色散曲线。

a石墨烯/离子凝胶电容器的电子测量。在电压V_SD=10mV时，V_G和I_SD之间的相关性显示了石墨烯层的狄拉克点位置和可调费米能级。

b将GMR的n_eff作为费米能级和光学波长的函数的理论模型，其中色散和Q可以由实部和虚部推导出来。测量数据点以白色显示，波长为1600nm，| E_F |从0.5eV到0.7eV。

c在栅极电压VG从0V到-2V的情况下，测量GMR的传输（顶部面板）和模式FSR（底部面板：点，测量：曲线，线性拟合）。

d在各种V_G下调谐Q因子和色散。由于群速度色散控制在-62fs² mm^-1和+9 fs² mm^-1之间，Q因子从6×10⁵增加到1×10⁶。误差线是在相同条件下通过FSR测量估算的测量不确定度。

a在控制栅极电压和石墨烯的费米能级下的初级梳状线。

b在-1V，-1.2V，-1.5V和-1.8V的栅极电压下产生的全频梳。这里所发射的泵功率固定在34.5dBm。克尔梳是通过对泵波长进行微调而产生的。切伦科夫辐射的峰值由灰色箭头标出。

c栅极电压不仅可调谐主梳状线位置（蓝色圆圈），还可调整全梳状带宽（红色菱形）。

d连续波泵与切伦科夫辐射之间的频率间隔，其与β₂/β₃成比例。

e使用通带带宽分别为50nm，9nm和2nm的光学滤波器来证明80kHz，200kHz和600kHz的-3dB调制带宽。调制速度目前受离子凝胶电容限制。

f测量的孤子状态的统计分布，除了V_G从-1.1V调整到-1.6V外，具有相同的实验参数。

a，d，孤子态具有类晶体缺陷，包括a中的单孤子缺陷。b，c，具有等间隔孤子脉冲的周期性孤子晶体态。面板a至d通过以不同的值调节的栅极电压V_G实现，范围从-1.2V到a中的-1.5V。

左图：测量强度传输，说明与孤子形成有关的特征“步骤”。

中图：相应的光谱测量。泵的位置用黑色虚线标出，切伦科夫辐射峰用灰色箭头标出。

右图：孤子脉冲的频率分辨二次谐波自相关图。这里灰色曲线显示实时自相关强度迹线。

孤子晶体是由于强模式相互作用和腔内干涉而形成，因此它们的演化动力学关键取决于微谐振器的精确分散曲线。通过栅极调谐进一步优化群速度色散和三阶色散，证明了两个周期性孤子晶体态。孤子晶体的形成也类似于谐振模式锁定，即使在较长的空腔中也可获得稳定的高重复频率脉冲串，并且在高速通信、梳状光谱学和数据存储等方面也具有很大应用价值。这种电荷可调石墨烯异质结构，在单原子层纳米科学和超高速光电子的界面上开创了新构架。

文章链接：BaichengYao,Shu-Wei Huang, Yuan Liu, Abhinav Kumar Vinod, Chanyeol Choi, Michael Hoff,Yongnan Li, Mingbin Yu, Ziying Feng, Dim-Lee Kwong, Yu Huang, Yunjiang Rao,Xiangfeng Duan & Chee Wei Wong,Gate-tunable frequency combs ingraphene–nitride microresonators,Nature,1476-4687（2018）,https://doi.org/10.1038/s41586-018-0216-x

作者：方轲

编辑：方轲