单波长激光泵浦的石墨烯-硅基异质波导集成克尔光频梳的理论研究

近日，天津大学精密仪器与光电子工程学院的程振洲教授和刘铁根教授课题组，联合郑州大学肖廷辉教授、上海科技大学邹毅助理教授、深圳大学王佳琦助理教授合作开展了石墨烯-硅基异质波导集成的中红外克尔光频梳的理论研究，成果以“Theoretical analysis of a mid-infrared Kerr frequency comb in a graphene-on-silicon micro-resonator”为题发表在《Physica Scripta》杂志上。

中红外(2-20微米)光子学在环境监测、化学分析、工业安全、疾病诊断等领域具有广泛应用。其中，相干光源是系统中最重要的光电器件之一。迄今为止，常见的中红外相干光源包括稀土离子掺杂光纤激光器、量子级联激光器、带间级联激光器、窄带隙半导体激光器、光学参量振荡器和片上克尔频率梳等。在上述激光技术中，片上克尔频率梳具有超宽光谱范围、窄线宽、精确频率间隔和紧凑器件尺寸等优点，被认为是服务下一代中红外传感和光谱应用的革命性光源。然而，过去的研究通常采用连续输出、波长可调、窄线宽、低噪声的固态激光器来泵浦产生中红外片上克尔频率梳，整个系统体积庞大且价格昂贵。目前，基于单波长的二极管泵浦产生中红外片上克尔频率梳仍然具有极大的挑战性，需要进一步的探索研究。

图1.器件示意图：(a)基于GOS微环谐振器产生克尔频率梳的示意图；(b)GOS波导截面图；(c) EARS技术原理图。

研究者们探索了使用单色中红外激光光源，泵浦石墨烯-硅（graphene-on-silicon，GOS）异质波导集成微环谐振器，产生中红外克尔频率梳的方法。其主要方法是基于电场辅助共振扫描(Electric-field-assisted resonance scanning，EARS)技术和石墨烯增强硅基波导的克尔非线性系数实现的。所提出的用于产生克尔频率梳的GOS器件示意图如图1（a）。该器件基于蓝宝石-硅晶圆设计，使用了氧化铝衬底和包层在中红外波段提供宽光谱透明窗口，同时实现石墨烯与硅波导之间的电隔离,如图1（b）所示。石墨烯费米能级可以通过改变GOS波导外部电场来调节，从而调整GOS微环谐振器的谐振波长。石墨烯铺设在脊形波导的表面上，可以与TE0模式的倏逝场产生耦合。与硅波导相比，石墨烯-硅混合集成波导的克尔非线性可显著提高。此外，图1（c）给出了用于将谐振峰与泵浦波长对准的EARS技术的原理图。在不同费米能级下，器件的透射率如左图所示。对于给定的波长，可以在不同的费米能级下探测微环谐振器的透射强度，如右图所示。因此，通过使用单色中红外激光器，可以将透射从波长域映射到费米能级域。

图2.中红外克尔频率梳的理论计算结果：(a)扫描石墨烯费米能级时，微环谐振器腔内功率的变化；(b-l)不同费米能级条件下，中红外克尔频率梳的光谱特性；（m-w）不同费米能级条件下，中红外克尔频率梳的时域波形。

所设计的片上中红外克尔频率梳的理论计算结果如图2所示。通过增加石墨烯的费米能级，克尔频率梳的演化由三段组成，分别由不同颜色标记其动力学过程，即图灵态(绿色)、混沌态(黄色)和孤子态(红色)，如图2（a）所示。中红外克尔频率梳不同状态的光谱和时域波形分别如图2（b-l）和图2（m-w）所示。如图2（l）和2图（w）所示，当克尔频率梳处于单孤子态时，光谱达到完全平滑的包络态，在3.23mm到5.26mm的波长范围内包含256条梳线，对应于大约550 nm的3 dB光谱带宽，几乎完全覆盖了从3-5mm波长的大气传输窗口。另外，与之前的调谐技术相比，由于石墨烯具有极高载流子迁移率，所提出的技术有望高速调控产生片上克尔频率梳。

审核编辑 ：李倩