近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的程振洲教授和劉鐵根教授課題組，聯(lián)合鄭州大學(xué)肖廷輝教授、上海科技大學(xué)鄒毅助理教授、深圳大學(xué)王佳琦助理教授合作開展了石墨烯-硅基異質(zhì)波導(dǎo)集成的中紅外克爾光頻梳的理論研究，成果以“Theoretical analysis of a mid-infrared Kerr frequency comb in a graphene-on-silicon micro-resonator”為題發(fā)表在《Physica Scripta》雜志上。

中紅外(2-20微米)光子學(xué)在環(huán)境監(jiān)測、化學(xué)分析、工業(yè)安全、疾病診斷等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。其中，相干光源是系統(tǒng)中最重要的光電器件之一。迄今為止，常見的中紅外相干光源包括稀土離子摻雜光纖激光器、量子級聯(lián)激光器、帶間級聯(lián)激光器、窄帶隙半導(dǎo)體激光器、光學(xué)參量振蕩器和片上克爾頻率梳等。在上述激光技術(shù)中，片上克爾頻率梳具有超寬光譜范圍、窄線寬、精確頻率間隔和緊湊器件尺寸等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是服務(wù)下一代中紅外傳感和光譜應(yīng)用的革命性光源。然而，過去的研究通常采用連續(xù)輸出、波長可調(diào)、窄線寬、低噪聲的固態(tài)激光器來泵浦產(chǎn)生中紅外片上克爾頻率梳，整個系統(tǒng)體積龐大且價格昂貴。目前，基于單波長的二極管泵浦產(chǎn)生中紅外片上克爾頻率梳仍然具有極大的挑戰(zhàn)性，需要進(jìn)一步的探索研究。

圖1.器件示意圖：(a)基于GOS微環(huán)諧振器產(chǎn)生克爾頻率梳的示意圖；(b)GOS波導(dǎo)截面圖；(c) EARS技術(shù)原理圖。

研究者們探索了使用單色中紅外激光光源，泵浦石墨烯-硅（graphene-on-silicon，GOS）異質(zhì)波導(dǎo)集成微環(huán)諧振器，產(chǎn)生中紅外克爾頻率梳的方法。其主要方法是基于電場輔助共振掃描(Electric-field-assisted resonance scanning，EARS)技術(shù)和石墨烯增強(qiáng)硅基波導(dǎo)的克爾非線性系數(shù)實(shí)現(xiàn)的。所提出的用于產(chǎn)生克爾頻率梳的GOS器件示意圖如圖1（a）。該器件基于藍(lán)寶石-硅晶圓設(shè)計，使用了氧化鋁襯底和包層在中紅外波段提供寬光譜透明窗口，同時實(shí)現(xiàn)石墨烯與硅波導(dǎo)之間的電隔離,如圖1（b）所示。石墨烯費(fèi)米能級可以通過改變GOS波導(dǎo)外部電場來調(diào)節(jié)，從而調(diào)整GOS微環(huán)諧振器的諧振波長。石墨烯鋪設(shè)在脊形波導(dǎo)的表面上，可以與TE0模式的倏逝場產(chǎn)生耦合。與硅波導(dǎo)相比，石墨烯-硅混合集成波導(dǎo)的克爾非線性可顯著提高。此外，圖1（c）給出了用于將諧振峰與泵浦波長對準(zhǔn)的EARS技術(shù)的原理圖。在不同費(fèi)米能級下，器件的透射率如左圖所示。對于給定的波長，可以在不同的費(fèi)米能級下探測微環(huán)諧振器的透射強(qiáng)度，如右圖所示。因此，通過使用單色中紅外激光器，可以將透射從波長域映射到費(fèi)米能級域。

圖2.中紅外克爾頻率梳的理論計算結(jié)果：(a)掃描石墨烯費(fèi)米能級時，微環(huán)諧振器腔內(nèi)功率的變化；(b-l)不同費(fèi)米能級條件下，中紅外克爾頻率梳的光譜特性；（m-w）不同費(fèi)米能級條件下，中紅外克爾頻率梳的時域波形。

所設(shè)計的片上中紅外克爾頻率梳的理論計算結(jié)果如圖2所示。通過增加石墨烯的費(fèi)米能級，克爾頻率梳的演化由三段組成，分別由不同顏色標(biāo)記其動力學(xué)過程，即圖靈態(tài)(綠色)、混沌態(tài)(黃色)和孤子態(tài)(紅色)，如圖2（a）所示。中紅外克爾頻率梳不同狀態(tài)的光譜和時域波形分別如圖2（b-l）和圖2（m-w）所示。如圖2（l）和2圖（w）所示，當(dāng)克爾頻率梳處于單孤子態(tài)時，光譜達(dá)到完全平滑的包絡(luò)態(tài)，在3.23mm到5.26mm的波長范圍內(nèi)包含256條梳線，對應(yīng)于大約550 nm的3 dB光譜帶寬，幾乎完全覆蓋了從3-5mm波長的大氣傳輸窗口。另外，與之前的調(diào)諧技術(shù)相比，由于石墨烯具有極高載流子遷移率，所提出的技術(shù)有望高速調(diào)控產(chǎn)生片上克爾頻率梳。

審核編輯 ：李倩