一种基于二维材料纳米带的多模克尔光频梳产生器件设计

近日，天津大学精密仪器与光电子工程学院的程振洲教授与刘铁根教授课题组，研发了一种基于二维材料纳米带的多模克尔光频梳产生器件，成果获中国发明专利（ZL202210226723.8）授权。

光频梳是光谱包含一系列严格等间距，并且各个谱线之间的相位相互锁定的相干光源，已被证明可用于光通信、光互连、光测距等多个领域。目前，已经有多种方法产生光频梳，其中，波导集成的克尔光频梳是一种极具前景的技术。在此技术中，利用波导器件中的相位调制、交叉相位调制、四波混频等三阶非线性效应，结合调制不稳定性产生克尔光频梳。

波导集成的克尔光频梳具有频谱范围宽、泵浦阈值低、频率稳定性高、体积小易集成等优势，已经成为近年来的研究热点。然而，现有的波导集成的克尔光频梳均是针对谐振腔中单一模式产生或调控，在一定程度上限制了克尔光频梳在多模器件和系统中的应用。

图1. 所发明的基于二维材料纳米带的多模克尔光频梳产生器件。(a) 器件示意图。(b-d) 当TE0模式被激发时，克尔光频梳分别处于图灵态、混沌态、孤子态时的输出光谱。(e-g) 当TE0模式被激发时，克尔光频梳分别处于图灵态、混沌态、孤子态时的时域波形。(h-j) 当TE1模式被激发时，克尔光频梳分别处于图灵态、混沌态、孤子态时的输出光谱。(k-m) 当TE1模式被激发时，克尔光频梳分别处于图灵态、混沌态、孤子态时的时域波形。

在本项工作中，研究者们发明了一种基于二维材料纳米带的多模克尔光频梳产生器件。如图1a所示，在硅-绝缘体（silicon-on-insulator）晶圆上设计一个多模微环谐振腔，在微环谐振腔的上方铺设了多个二维材料纳米带，通过调控不同二维材料纳米带的费米能级可以对不同的空间模式引入特定损耗，从而选择性的产生不同模式的克尔光频梳。如图1（b-g）所示，当TE0模式的克尔光频梳处于单孤子态时，克尔光频梳在1.47 - 1.67 μm的波长范围内包含143条梳线。如图1（h-m）所示，当TE1模式的克尔光频梳处于单孤子态时，克尔光频梳在1.49 - 1.62 μm的波长范围内包含76条梳线。

本发明可以通过调节集成在多模谐振腔上的二维材料层的费米能级，选择性地激发不同模式的克尔光频梳，为开发外场调控的克尔光频梳提供了新思路，并为克尔光频梳拓展了一个空间模式的新维度。通过级联所发明的克尔光频梳，可以实现波分复用和模分复用系统，而不需要任何模式转换器件，有望降低成本、减小片上系统面积、以及由扇入和扇出器件引起的插入光学损耗，有利于实现高集成度、高性能的光通信和光互连系统。该器件是基于课题组研发的双模凸波导中的色散调控技术（IEEE Photonics Journal 12, 6601506, 2020）和波导集成的石墨烯调控的双模克尔光频梳发明（IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 28, 5100107, 2022）。

审核编辑：刘清