一種基于二維材料納米帶的多模克爾光頻梳產(chǎn)生器件設(shè)計(jì)

近日，天津大學(xué)精密儀器與光電子工程學(xué)院的程振洲教授與劉鐵根教授課題組，研發(fā)了一種基于二維材料納米帶的多?？藸柟忸l梳產(chǎn)生器件，成果獲中國(guó)發(fā)明專利（ZL202210226723.8）授權(quán)。

光頻梳是光譜包含一系列嚴(yán)格等間距，并且各個(gè)譜線之間的相位相互鎖定的相干光源，已被證明可用于光通信、光互連、光測(cè)距等多個(gè)領(lǐng)域。目前，已經(jīng)有多種方法產(chǎn)生光頻梳，其中，波導(dǎo)集成的克爾光頻梳是一種極具前景的技術(shù)。在此技術(shù)中，利用波導(dǎo)器件中的相位調(diào)制、交叉相位調(diào)制、四波混頻等三階非線性效應(yīng)，結(jié)合調(diào)制不穩(wěn)定性產(chǎn)生克爾光頻梳。

波導(dǎo)集成的克爾光頻梳具有頻譜范圍寬、泵浦閾值低、頻率穩(wěn)定性高、體積小易集成等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為近年來的研究熱點(diǎn)。然而，現(xiàn)有的波導(dǎo)集成的克爾光頻梳均是針對(duì)諧振腔中單一模式產(chǎn)生或調(diào)控，在一定程度上限制了克爾光頻梳在多模器件和系統(tǒng)中的應(yīng)用。

圖1.所發(fā)明的基于二維材料納米帶的多?？藸柟忸l梳產(chǎn)生器件。(a)器件示意圖。(b-d)當(dāng)TE0模式被激發(fā)時(shí)，克爾光頻梳分別處于圖靈態(tài)、混沌態(tài)、孤子態(tài)時(shí)的輸出光譜。(e-g)當(dāng)TE0模式被激發(fā)時(shí)，克爾光頻梳分別處于圖靈態(tài)、混沌態(tài)、孤子態(tài)時(shí)的時(shí)域波形。(h-j)當(dāng)TE1模式被激發(fā)時(shí)，克爾光頻梳分別處于圖靈態(tài)、混沌態(tài)、孤子態(tài)時(shí)的輸出光譜。(k-m)當(dāng)TE1模式被激發(fā)時(shí)，克爾光頻梳分別處于圖靈態(tài)、混沌態(tài)、孤子態(tài)時(shí)的時(shí)域波形。

在本項(xiàng)工作中，研究者們發(fā)明了一種基于二維材料納米帶的多?？藸柟忸l梳產(chǎn)生器件。如圖1a所示，在硅-絕緣體（silicon-on-insulator）晶圓上設(shè)計(jì)一個(gè)多模微環(huán)諧振腔，在微環(huán)諧振腔的上方鋪設(shè)了多個(gè)二維材料納米帶，通過調(diào)控不同二維材料納米帶的費(fèi)米能級(jí)可以對(duì)不同的空間模式引入特定損耗，從而選擇性的產(chǎn)生不同模式的克爾光頻梳。如圖1（b-g）所示，當(dāng)TE0模式的克爾光頻梳處于單孤子態(tài)時(shí)，克爾光頻梳在1.47 - 1.67 μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)包含143條梳線。如圖1（h-m）所示，當(dāng)TE1模式的克爾光頻梳處于單孤子態(tài)時(shí)，克爾光頻梳在1.49 - 1.62 μm的波長(zhǎng)范圍內(nèi)包含76條梳線。

本發(fā)明可以通過調(diào)節(jié)集成在多模諧振腔上的二維材料層的費(fèi)米能級(jí)，選擇性地激發(fā)不同模式的克爾光頻梳，為開發(fā)外場(chǎng)調(diào)控的克爾光頻梳提供了新思路，并為克爾光頻梳拓展了一個(gè)空間模式的新維度。通過級(jí)聯(lián)所發(fā)明的克爾光頻梳，可以實(shí)現(xiàn)波分復(fù)用和模分復(fù)用系統(tǒng)，而不需要任何模式轉(zhuǎn)換器件，有望降低成本、減小片上系統(tǒng)面積、以及由扇入和扇出器件引起的插入光學(xué)損耗，有利于實(shí)現(xiàn)高集成度、高性能的光通信和光互連系統(tǒng)。該器件是基于課題組研發(fā)的雙模凸波導(dǎo)中的色散調(diào)控技術(shù)（IEEE Photonics Journal 12, 6601506, 2020）和波導(dǎo)集成的石墨烯調(diào)控的雙?？藸柟忸l梳發(fā)明（IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 28, 5100107, 2022）。

審核編輯：劉清