近日，天津大學精密儀器與光電子工程學院的程振洲教授和劉鐵根教授課題組，聯合鄭州大學肖廷輝教授、上海科技大學鄒毅助理教授、深圳大學王佳琦助理教授合作開展了石墨烯-硅基異質波導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”為題發表在《Physica Scripta》雜志上。

中紅外(2-20微米)光子學在環境監測、化學分析、工業安全、疾病診斷等領域具有廣泛應用。其中，相干光源是系統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、量子級聯激光器、帶間級聯激光器、窄帶隙半導體激光器、光學參量振蕩器和片上克爾頻率梳等。在上述激光技術中，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點，被認為是服務下一代中紅外傳感和光譜應用的革命性光源。然而，過去的研究通常采用連續輸出、波長可調、窄線寬、低噪聲的固態激光器來泵浦產生中紅外片上克爾頻率梳，整個系統體積龐大且價格昂貴。目前，基于單波長的二極管泵浦產生中紅外片上克爾頻率梳仍然具有極大的挑戰性，需要進一步的探索研究。

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

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）異質波導集成微環諧振器，產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)技術和石墨烯增強硅基波導的克爾非線性系數實現的。所提出的用于產生克爾頻率梳的GOS器件示意圖如圖1（a）。該器件基于藍寶石-硅晶圓設計，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，同時實現石墨烯與硅波導之間的電隔離,如圖1（b）所示。石墨烯費米能級可以通過改變GOS波導外部電場來調節，從而調整GOS微環諧振器的諧振波長。石墨烯鋪設在脊形波導的表面上，可以與TE0模式的倏逝場產生耦合。與硅波導相比，石墨烯-硅混合集成波導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的EARS技術的原理圖。在不同費米能級下，器件的透射率如左圖所示。對于給定的波長，可以在不同的費米能級下探測微環諧振器的透射強度，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米能級域。

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

所設計的片上中紅外克爾頻率梳的理論計算結果如圖2所示。通過增加石墨烯的費米能級，克爾頻率梳的演化由三段組成，分別由不同顏色標記其動力學過程，即圖靈態(綠色)、混沌態(黃色)和孤子態(紅色)，如圖2（a）所示。中紅外克爾頻率梳不同狀態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，當克爾頻率梳處于單孤子態時，光譜達到完全平滑的包絡態，在3.23mm到5.26mm的波長范圍內包含256條梳線，對應于大約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，與之前的調諧技術相比，由于石墨烯具有極高載流子遷移率，所提出的技術有望高速調控產生片上克爾頻率梳。

審核編輯 ：李倩