01導讀
基於微腔的雷射頻率梳，能輸出在時頻閾上均為等間距的穩定信號，是光頻段和微波頻段的重要橋梁。其作為現代信息系統中的關鍵器件，已經在授時、高速光通信、雷射雷達、射頻激發、精確測量和光譜分析等諸多領域帶來了新的解決方案。
圖源：中國科學院長春光機所，Light學術出版中心，新媒體工作組
當前主流的穩定光頻梳激發主要有三種技術方案：在高非線性集成微腔中激發孤子克爾頻率梳、在鈮酸鋰諧振腔中激發調製頻率梳、以及在光纖雷射腔中構建鎖模雷射輸出。
在面向系統的實際應用中，人們希望能用一種光頻梳器件，實現上述所有方案的優點：既具有超低插入損耗，又具有高功率輸出；既高度集成，又效率突出；既能夠充分穩定，又能夠電光調控。特別是電光調控，將進一步進一步豐富化光頻梳的輸出，為光頻梳提供更為完備的功能，拓展其在複雜信號處理中的應用潛力。
然而，傳統的介質諧振腔，受限於幾何和材料，對其進行電光調控實現有效的電光操控都是巨大的挑戰。
近日，電子科技大學、南京大學、湖南大學和美國科羅拉多大學博爾德分校合作，以「Electrically controllable laser frequency combs in graphene-fibre microresonators」為題發表在Light: Science & Applications。
他們提出了一種石墨烯異質結集成的光纖法珀雷射微諧振腔。在微納尺度上，石墨烯電晶體同時作為電控飽和吸收體、溫度控制器和光電反饋接收機，實現了10GHz到80GHz鎖模雷射頻率梳的高效率激發、大範圍調控和自反饋鎖定。
圖源：Light: Science & Applications
02創新研究
研究者們將石墨烯異質結集成到一個鉺鐿共摻光纖法珀諧振腔的一端，構建了一個長度僅為1釐米的雷射器，其Q值高達2×106（圖1）。在這個諧振腔中，由氧化矽/氧化鉭多層介質膜提供反射，使用980nm的泵浦將激發出通信波段的雷射。同時，通過優化諧振腔的色散到反常區域，為耗散孤子鎖模提供了條件。進而，「金電極-單晶石墨烯-金電極」結構的p-n結通過柔性轉移技術，貼附到光纖端面，其光電子響應能夠由驅動電壓直接控制。採用這種類似於二極體的集成方式，有利於簡化器件的實施、保持Q值、降低泵浦閾值。當泵浦功率達到450mW時，微腔輸出頻率間隔為10GHz，脈衝寬度為1.1ps的鎖模雷射頻率梳。
圖1 器件概念和雷射頻率梳輸出
圖2 電控雷射頻率梳的輸出
通過改變驅動電流，石墨烯中的載流子濃度被有效調控，隨著電壓增加，石墨烯的摻雜狀態可以由p型過渡到n型，跨越狄拉克點（圖2a）。在這個過程中，石墨烯的飽和吸收效率和表面溫度均有顯著變化。這些變化既改變了腔的反射譜形態，也改變了腔內的能量積累過程。從而，通過調節驅動電壓，該雷射微腔可以在保持模式鎖定的情況下，實現雷射中心波長的寬帶調諧（1560nm-1600nm），如圖2b所示。不僅如此，通過進一步精確調控電壓和適度增加泵浦功率，該腔還能展現出諧波鎖模的效果，輸出50GHz（5倍頻）或者80GHz（8倍頻）的鎖模脈衝。
圖3 通過石墨烯異質結反饋穩定雷射頻率梳
此外，在頻率梳器件的應用中，一個重要的關注點就是其頻譜寬度和相位的穩定性。前者既是頻率梳用於寬帶譜分析的基礎，也是基於倍頻來進一步鎖定頻率梳的關鍵參數。這種全光纖的雷射器能很容易的接入光纖超連續放大，將及光頻率梳譜寬度進一步拓展到1300nm-2000nm，這一跨度已經足以使用2f-3f自相關技術進行fceo的穩定。在主動反饋穩定方面，該研究提出了一種新的實施方案：將輸出功率信號直接反饋到石墨烯異質結的驅動電壓上，完成對重頻的自鎖定。這種方案實現了更簡單緊湊的系統結構，也展現了突出的性能指標。經過了自穩定的寬帶鎖模雷射頻率梳，其拍頻信噪比>70dB，相位噪聲低至-130dBc/Hz@10kHz。
03應用與展望
這種全光纖集成的光頻率梳器件，具有獨特的在線電光調控能力。通過對腔內石墨烯費米能級的高精度調節，在一個器件中實現了多樣化鎖模雷射頻率梳的激發、操控和動態反饋穩定。為二維材料光電子學、微頻率梳和光纖光學的交叉研究提供了新的思路，有望在光纖通信、信號處理、光譜測量和智能感知中發揮新的潛力。
文章信息Qin, C., Jia, K., Li, Q. et al. Electrically controllable laser frequency combs in graphene-fibre microresonators. Light Sci Appl 9, 185 (2020).本文的第一作者為電子科技大學博士生秦琛燁、南京大學博士生賈鯤鵬和湖南大學博士生李乾元，通訊作者為電子科技大學姚佰承教授、饒雲江教授和南京大學謝臻達教授。該工作的合作者還包括南京大學祝世寧院士、湖南大學劉淵教授、美國科羅拉多大學博爾德分校Shu-Wei Huang教授。