姚佰承:石墨烯电控光纤微腔光频梳

注册 Vultr VPS 送你10美金 免费玩4个月

01导读

基于微腔的激光频率梳,能输出在时频阈上均为等间距的稳定信号,是光频段和微波频段的重要桥梁。其作为现代信息系统中的关键器件,已经在授时、高速光通信、激光雷达、射频激发、精确测量和光谱分析等诸多领域带来了新的解决方案。

1

图源:中国科学院长春光机所,Light学术出版中心,新媒体工作组

当前主流的稳定光频梳激发主要有三种技术方案:在高非线性集成微腔中激发孤子克尔频率梳、在铌酸锂谐振腔中激发调制频率梳、以及在光纤激光腔中构建锁模激光输出。

在面向系统的实际应用中,人们希望能用一种光频梳器件,实现上述所有方案的优点:既具有超低插入损耗,又具有高功率输出;既高度集成,又效率突出;既能够充分稳定,又能够电光调控。特别是电光调控,将进一步进一步丰富化光频梳的输出,为光频梳提供更为完备的功能,拓展其在复杂信号处理中的应用潜力。

然而,传统的介质谐振腔,受限于几何和材料,对其进行电光调控实现有效的电光操控都是巨大的挑战。

近日,电子科技大学、南京大学、湖南大学和美国科罗拉多大学博尔德分校合作,以“Electrically controllable laser frequency combs in graphene-fibre microresonators”为题发表在Light: Science & Applications。

他们提出了一种石墨烯异质结集成的光纤法珀激光微谐振腔。在微纳尺度上,石墨烯晶体管同时作为电控饱和吸收体、温度控制器和光电反馈接收机,实现了10GHz到80GHz锁模激光频率梳的高效率激发、大范围调控和自反馈锁定。

2

图源:Light: Science & Applications

02创新研究

研究者们将石墨烯异质结集成到一个铒镱共掺光纤法珀谐振腔的一端,构建了一个长度仅为1厘米的激光器,其Q值高达2×106(图1)。在这个谐振腔中,由氧化硅/氧化钽多层介质膜提供反射,使用980nm的泵浦将激发出通信波段的激光。同时,通过优化谐振腔的色散到反常区域,为耗散孤子锁模提供了条件。进而,“金电极-单晶石墨烯-金电极”结构的p-n结通过柔性转移技术,贴附到光纤端面,其光电子响应能够由驱动电压直接控制。采用这种类似于二极管的集成方式,有利于简化器件的实施、保持Q值、降低泵浦阈值。当泵浦功率达到450mW时,微腔输出频率间隔为10GHz,脉冲宽度为1.1ps的锁模激光频率梳。

3

图1 器件概念和激光频率梳输出

4

图2 电控激光频率梳的输出

通过改变驱动电流,石墨烯中的载流子浓度被有效调控,随着电压增加,石墨烯的掺杂状态可以由p型过渡到n型,跨越狄拉克点(图2a)。在这个过程中,石墨烯的饱和吸收效率和表面温度均有显著变化。这些变化既改变了腔的反射谱形态,也改变了腔内的能量积累过程。从而,通过调节驱动电压,该激光微腔可以在保持模式锁定的情况下,实现激光中心波长的宽带调谐(1560nm-1600nm),如图2b所示。不仅如此,通过进一步精确调控电压和适度增加泵浦功率,该腔还能展现出谐波锁模的效果,输出50GHz(5倍频)或者80GHz(8倍频)的锁模脉冲。

5

图3 通过石墨烯异质结反馈稳定激光频率梳

此外,在频率梳器件的应用中,一个重要的关注点就是其频谱宽度和相位的稳定性。前者既是频率梳用于宽带谱分析的基础,也是基于倍频来进一步锁定频率梳的关键参数。这种全光纤的激光器能很容易的接入光纤超连续放大,将及光频率梳谱宽度进一步拓展到1300nm-2000nm,这一跨度已经足以使用2f-3f自相关技术进行fceo的稳定。在主动反馈稳定方面,该研究提出了一种新的实施方案:将输出功率信号直接反馈到石墨烯异质结的驱动电压上,完成对重频的自锁定。这种方案实现了更简单紧凑的系统结构,也展现了突出的性能指标。经过了自稳定的宽带锁模激光频率梳,其拍频信噪比>70dB,相位噪声低至-130dBc/[email protected]

03应用与展望

这种全光纤集成的光频率梳器件,具有独特的在线电光调控能力。通过对腔内石墨烯费米能级的高精度调节,在一个器件中实现了多样化锁模激光频率梳的激发、操控和动态反馈稳定。为二维材料光电子学、微频率梳和光纤光学的交叉研究提供了新的思路,有望在光纤通信、信号处理、光谱测量和智能感知中发挥新的潜力。

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).本文的第一作者为电子科技大学博士生秦琛烨、南京大学博士生贾鲲鹏和湖南大学博士生李乾元,通讯作者为电子科技大学姚佰承教授、饶云江教授和南京大学谢臻达教授。该工作的合作者还包括南京大学祝世宁院士、湖南大学刘渊教授、美国科罗拉多大学博尔德分校Shu-Wei Huang教授。

注册 Vultr VPS 送你10美金 免费玩4个月