Nature：石墨烯氮微諧振器中的柵極可調諧頻梳

【引言】

光學頻率梳以不連續的等間隔頻率發射光脈沖，是現代頻率計量學，精密光譜學，天文觀測，超快光學和量子信息的基礎。但是，無論是在微腔還是纖維腔中決定結構的激光腔內的色散通常難以用電場調諧。這種電動控制可以將光學梳齒和光電子相連，使得一個諧振器中的各種梳狀輸出具有快速和方便的可調性。由于其卓越的費米-狄拉克可調性和超快的載流子遷移率，石墨烯具有復雜的光色散，可通過柵極電壓進行調整。這帶來了光電子技術的進步，如調制器，光電探測器和可控等離子體激元。

【成果簡介】

近日，來自成都電子科技大學的姚佰承（通訊作者）的團隊在Nature發表了題為Gate-tunable frequency combs in graphene–nitride microresonators的文章，通過將柵極可調光導與氮化硅光子微諧振器耦合，從而通過改變費米能級來調制其二階和更高階色散來證明石墨烯基光學頻率梳的門控腔內可調諧性。他們實現了雙層離子凝膠門控晶體管，以在單電壓電平控制下調節石墨烯0.45-0.65電子伏特范圍內的費米能級。他們進一步證明了從周期性孤子晶體到具有缺陷的晶體的電壓可調諧轉換，這種結合了單原子層納米科學和超快光電子的異質石墨烯微腔將有助于提高我們對動態頻率梳和超快光學的理解。

【圖文導讀】

圖1：柵極可調石墨烯氮化物異質微腔的概念設計與實現

a: GMR的示意結構，氮化硅用灰色表示；

b: 石墨烯-氮化物異質波導的電場分布；

c: 光學顯微照片顯示母線波導（紅色箭頭），環形諧振器和Au/Ti金屬化圖案；

d: 根據其費米能級計算石墨烯的速度色散和三階色散。

圖2：調諧石墨烯微環諧振器

a: 電子測量石墨烯/離子凝膠電容器；

b: 費米能級和光學波長的函數；

c: 測量GMR的透射率（頂部面板）和模式FSR與波長關系；

d: 在各種V_G下調諧Q因子和色散變化。

圖3：柵極可調諧石墨烯克爾頻率梳的觀察

a: 在控制的柵極電壓和石墨烯費米能級上的初級梳狀線；

b: 在不同的柵極電壓下產生的全頻梳；

c: 柵極電壓調諧主梳狀線位置（藍色圓圈），還調整全梳狀帶寬（紅色菱形）；

d: 連續波泵浦與切倫科夫輻射之間的頻率的關系。

圖4：柵極控石墨烯氮化物微諧振器的孤子晶體

左圖顯示了測量的強度透射率，中間的圖顯示了光譜變化，右圖顯示了逐幀頻率分辨的二次諧波自相關圖。具有低射頻噪聲的這些孤子狀態在轉變為孤子狀態之前的模式和混沌狀態之后實現。將多個孤子脈沖自組織成等間距脈沖串類似于晶體化過程，因此稱為孤子晶體，缺失的脈沖結構類似于晶格中的缺陷。因此，他們的石墨烯-氮化物多相微諧振器為研究孤子物理提供了一個平臺，可通過柵極電壓和費米能級進行調諧。

【小結】

該團隊觀察到孤子晶體由于強模式相互作用和腔內干涉而形成，它們的演化動力學關鍵取決于微諧振器的精確分散曲線。通過柵極調諧進一步優化群速度色散和三階色散，他們證明了兩個周期性孤子晶體態。這些孤子晶體狀態顯示出非凡的穩定性，并且它們可以穩定地承受高達±2dB的泵浦功率波動或高達±300μm的波長偏移。孤子晶體的形成也類似于諧振模式鎖定，即使在更長的腔體中也可以獲得穩定的高重復頻率脈沖串，并且其可用于高速通信，梳狀譜和數據存儲。這種用于可控頻率梳和孤子動力學的電荷可調諧石墨烯異質結構的實現為單原子層納米科學和超快光電子學的界面處開辟了新架構。

文獻鏈接：Gate-tunable frequency combs in graphene–nitride microresonators（Nature，2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0216-x）

本文由材料人電子電工學術組楊超整理編輯。

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