Nature：石墨烯氮微谐振器中的栅极可调谐频梳

引言

光学频率梳以不连续的等间隔频率发射光脉冲，是现代频率计量学，精密光谱学，天文观测，超快光学和量子信息的基础。但是，无论是在微腔还是纤维腔中决定结构的激光腔内的色散通常难以用电场调谐。这种电动控制可以将光学梳齿和光电子相连，使得一个谐振器中的各种梳状输出具有快速和方便的可调性。由于其卓越的费米-狄拉克可调性和超快的载流子迁移率，石墨烯具有复杂的光色散，可通过栅极电压进行调整。这带来了光电子技术的进步，如调制器，光电探测器和可控等离子体激元。

成果简介

近日，来自成都电子科技大学的姚佰承（通讯作者）的团队在Nature发表了题为Gate-tunable frequency combs in graphene–nitride microresonators的文章，通过将栅极可调光导与氮化硅光子微谐振器耦合，从而通过改变费米能级来调制其二阶和更高阶色散来证明石墨烯基光学频率梳的门控腔内可调谐性。他们实现了双层离子凝胶门控晶体管，以在单电压电平控制下调节石墨烯0.45-0.65电子伏特范围内的费米能级。他们进一步证明了从周期性孤子晶体到具有缺陷的晶体的电压可调谐转换，这种结合了单原子层纳米科学和超快光电子的异质石墨烯微腔将有助于提高我们对动态频率梳和超快光学的理解。

图文导读

图1：栅极可调石墨烯氮化物异质微腔的概念设计与实现

a: GMR的示意结构，氮化硅用灰色表示；

b: 石墨烯-氮化物异质波导的电场分布；

c: 光学显微照片显示母线波导（红色箭头），环形谐振器和Au/Ti金属化图案；

d: 根据其费米能级计算石墨烯的速度色散和三阶色散。

图2：调谐石墨烯微环谐振器

a: 电子测量石墨烯/离子凝胶电容器；

b: 费米能级和光学波长的函数；

c: 测量GMR的透射率（顶部面板）和模式FSR与波长关系；

d: 在各种V_G下调谐Q因子和色散变化。

图3：栅极可调谐石墨烯克尔频率梳的观察

a: 在控制的栅极电压和石墨烯费米能级上的初级梳状线；

b: 在不同的栅极电压下产生的全频梳；

c: 栅极电压调谐主梳状线位置（蓝色圆圈），还调整全梳状带宽（红色菱形）；

d: 连续波泵浦与切伦科夫辐射之间的频率的关系。

图4：栅极控石墨烯氮化物微谐振器的孤子晶体

左图显示了测量的强度透射率，中间的图显示了光谱变化，右图显示了逐帧频率分辨的二次谐波自相关图。具有低射频噪声的这些孤子状态在转变为孤子状态之前的模式和混沌状态之后实现。将多个孤子脉冲自组织成等间距脉冲串类似于晶体化过程，因此称为孤子晶体，缺失的脉冲结构类似于晶格中的缺陷。因此，他们的石墨烯-氮化物多相微谐振器为研究孤子物理提供了一个平台，可通过栅极电压和费米能级进行调谐。

小结

该团队观察到孤子晶体由于强模式相互作用和腔内干涉而形成，它们的演化动力学关键取决于微谐振器的精确分散曲线。通过栅极调谐进一步优化群速度色散和三阶色散，他们证明了两个周期性孤子晶体态。这些孤子晶体状态显示出非凡的稳定性，并且它们可以稳定地承受高达±2dB的泵浦功率波动或高达±300μm的波长偏移。孤子晶体的形成也类似于谐振模式锁定，即使在更长的腔体中也可以获得稳定的高重复频率脉冲串，并且其可用于高速通信，梳状谱和数据存储。这种用于可控频率梳和孤子动力学的电荷可调谐石墨烯异质结构的实现为单原子层纳米科学和超快光电子学的界面处开辟了新架构。

文献链接：Gate-tunable frequency combs in graphene–nitride microresonators（Nature，2018, DOI: 10.1038/s41586-018-0216-x）