[发明专利]一种基于二维材料纳米带的多模克尔光频梳产生器件

说明书

本发明公开一种基于二维材料纳米带的多模克尔光频梳产生器件，包括第一层二维材料纳米带、第二层二维材料纳米带、绝缘体包层、多模微型谐振腔、第一电极对、第二电极对、第三电极对、耦合波导、绝缘层和衬底层；衬底层的上表面设有绝缘层，绝缘层的上表面设有多模微型谐振腔，多模微型谐振腔上依次设置有第一层二维材料纳米带和第二层二维材料纳米带，多模微型谐振腔与第一层二维材料纳米带之间、第一层二维材料纳米带与第二层二维材料纳米带之间均设有绝缘体包层用于实现电隔离；第一电极对与第一层二维材料纳米带相连，第二电极对与第二层二维材料纳米带相连，第三电极对与多模微型谐振腔相连。

技术领域

本发明属于集成光电子及非线性光学领域，具体涉及一种基于二维材料纳米带的波导集成的多模克尔光频梳的实现方法。

背景技术

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、光计算等多个前沿领域。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方法。在此方法中，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，泵浦功率低，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。

基于各类非线性材料开发波导集成的克尔光频梳是目前的主要研究方向之一。波导集成的克尔光频梳已经在硅、氮化硅、砷化铝镓、铌酸锂等多种材料平台中实现。例如，2014年，美国康奈尔大学的Michal Lipson等人在硅平台上实现了波长覆盖2.1μm到3.5μm的克尔光频梳，自由光谱范围127GHz(Nature Communications 6,6299)。2019年，美国哈佛大学的Marko等人在薄膜铌酸锂微腔中实现了带宽700nm，自由光谱范围250GHz的宽带克尔光频梳(Nature Communications 10,978)。2020年，美国加州大学圣芭芭拉分校的John E.Bowers等人在砷化铝镓微环谐振腔中实现了一种阈值仅为36μW的克尔光频梳(Nature Communications 11,1331)。2020年瑞士洛桑联邦理工的Tobias J.Kippenberg等人在氮化硅平台开发了在两个可工作在微波波段中的孤子态克尔光频梳(NaturePhotonics 14,486-491)，即X波段(自由光谱范围约10GHz)和K波段(自由光谱范围约20GHz)。

开发色散工程化的波导器件是波导集成的克尔光频梳的另一个主要研究方向。通过改变波导器件的几何尺寸和形状，可以得到平坦和宽带宽的异常色散区域，从而增加克尔光频梳的光谱带宽。2016年，美国加州理工学院的Kerry J.Vahala等人实现了异常色散区域覆盖1220nm-2000nm的色散调控方法(Nature Photonics 10,316-320)。2018年，美国国家标准技术局的Jeff Chiles等人在氮化硅平台上演示了一种光谱覆盖900nm的宽带光频梳，波长覆盖1510-1600nm(Optics Letters 43,1527-1530)。2018年，天津大学的张林等人在锗平台了设计了一种超宽带的中红外光频梳，波长覆盖2.3-10.2μm(Nanophotonics7,1461-1467)。

开发外场调控的波导器件是近年来波导集成的克尔光频梳的研究的前沿的方向。2018年，加州大学洛杉矶分校的Baicheng Yao等人利用电控石墨烯的费米能级，在单个微腔中产生了自由光谱范围2.3THz-7.2THz的克尔光频梳(Nature 558,410-414)。2019年，美国哈佛大学的Marko等人在铌酸锂微腔中利用电光相位调制验证了一种宽带克尔光频梳，其包含超过900条梳线，自由光谱范围10GHz(Nature 568,373-377)。2020年，瑞士洛桑联邦理工的Tobias J.Kippenberg等人实验验证了一种单片压电控制的孤子克尔光频梳，驱动功率仅300nW(Nature 583,3865-390)。