CN114815045B - 一种基于二维材料纳米带的多模克尔光频梳产生器件 - Google Patents

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Abstract

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。

Description

一种基于二维材料纳米带的多模克尔光频梳产生器件
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)。
在专利方面，2015年，华中科技大学的张敏明等人设计了一种用于产生克尔光频梳的微环波导器件，通过改变波导截面尺寸，减小色散对光频梳产生的影响，提高的克尔光频梳的功率平坦性，申请了中国发明专利(201510350834.X)。2019年，清华大学的孙长征等人通过在光频梳产生器件中增加抑制波导，防止拉曼激光的产生，提高光频梳的产生质量，申请了中国发明专利(201910366808.4)。2020年，中国科学院半导体研究所的于文琦等人利用微谐振腔实现了集成化克尔光频梳的产生，申请了中国发明专利(201810710628.9)。
综合上述研究进展，目前波导集成的克尔光频梳均是针对谐振腔中单一模式产生或调控，尚未有关于针对不同空间波导模式调控克尔光频梳的公开报道，在一定程度上限制了克尔光频梳在多模器件和系统中的应用。
发明内容
本发明的目的是克服以往研究中无法实现对波导集成的克尔光频梳中空间模式调控的局限性，提出一种基于二维材料纳米带的波导集成的多模克尔光频梳。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于二维材料纳米带的波导集成的多模克尔光频梳，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；所述多模微型谐振腔支持两种横电模TE传输，包括一阶横电模TE0与二阶横电模TE1，并通过克尔非线性产生一阶横电模TE0和二阶横电模TE1的克尔光频梳；所述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所述绝缘体包层用于实现电隔离；
所述第一电极对与第一层二维材料纳米带相连，所述第二电极对与第二层二维材料纳米带相连，通过在第一层二维材料纳米带和第二层二维材料纳米带上施加电压，调节第一层二维材料纳米带和第二层二维材料纳米带的费米能级，实现第一层二维材料纳米带、第二层二维材料纳米带对多模微型谐振腔中不同空间模式的光学损耗和光学非线性系数的主动调控，实现选择性产生克尔光频梳的模式；所述第三电极对与多模微型谐振腔相连，用于为第一层二维材料纳米带和第二层二维材料纳米带提供背栅电压；所述的耦合波导通过倏逝场耦合多模微型谐振腔中产生的克尔光频梳。
进一步的，所述的第一层二维材料纳米带和第二层二维材料纳米带均是由石墨烯、过渡金属硫化物和黑磷中的一种或几种构成的异质材料，均为单层材料或若干层材料。
进一步的，所述多模微型谐振腔和耦合波导的材料是由硅、锗、硅锗混合物、氮化硅、磷化铟、氟化镁、砷化镓、砷化铝镓、铌酸锂、氮化铝中的一种或若干种构成。
进一步的，所述多模微型谐振腔位于耦合波导的上、下、左、右任一侧。
进一步的，所述多模微型谐振腔是由微环形谐振腔、微跑道形谐振腔、微盘形谐振腔中的一种或几种组合构成。
与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：
(1)本发明所涉及的基于二维材料纳米带的波导集成的多模克尔光频梳可以通过调节集成在多模谐振腔上的二维材料层的费米能级，选择性地激发不同模式的克尔光频梳，这是现有的光频梳器件所无法实现的。
(2)本发明为克尔光频梳拓展了一个新的维度，即空间模式。通过级联所发明的克尔光频梳，可以实现波分复用和模分复用系统，而不需要任何模式转换器件，这有望降低成本、减小片上系统面积、以及由扇入和扇出器件引起的插入光学损耗，有利于实现高集成度、高性能的光通信和光互连系统。
(3)本发明通过二维材料纳米带提升波导器件的非线性光学系数，有利于降低波导集成的多模克尔光频梳的阈值。
(4)本发明器件的制作工艺与现有的CMOS工艺完全兼容，有利于实现器件的大规模量产。
附图说明
图1为本发明多模克尔光频梳产生器件的结构示意图。
图2(a)为截面位置如图1中虚线I的截面图。
图2(b)为截面位置如图1中虚线II的截面图，示出了第一层二维材料纳米带即第一层石墨烯与电极连接处截面图。
图2(c)为截面位置如图1中虚线III的截面图，示出了第二层二维材料纳米带即第二层石墨烯与电极连接处截面图。
图3多模微型谐振腔的色散曲线。
图4(a)为第一层二维材料纳米带1和第二层二维材料纳米带2的费米能级分别设置为1.0eV和0.4eV，对应多模微型谐振腔的TE0模式混沌态克尔光频梳输出光谱。
图4(b)为第一层二维材料纳米带1和第二层二维材料纳米带2的费米能级分别设置为1.0eV和0.4eV，对应多模微型谐振腔的TE0模式混沌态克尔光频梳时域波形。
图4(c)为第一层二维材料纳米带1和第二层二维材料纳米带2的费米能级分别设置为1.0eV和0.4eV，对应多模微型谐振腔的TE0模式孤子态克尔光频梳输出光谱。
图4(d)为第一层二维材料纳米带1和第二层二维材料纳米带2的费米能级分别设置为1.0eV和0.4eV，对应多模微型谐振腔的TE0模式孤子态克尔光频梳时域波形。
图5(a)为第一层二维材料纳米带1和第二层二维材料纳米带2的费米能级分别设置为1.0eV和0.4eV，对应多模微型谐振腔的TE1模式输出光谱。
图5(b)为第一层二维材料纳米带1和第二层二维材料纳米带2的费米能级分别设置为1.0eV和0.4eV，对应多模微型谐振腔的TE1模式输出时域波形。
图6(a)为第一层二维材料纳米带1和第二层二维材料纳米带2的费米能级分别设置为0.5eV和1.0eV，对应多模微型谐振腔的TE0模式输出光谱。
图6(b)为第一层二维材料纳米带1和第二层二维材料纳米带2的费米能级分别设置为0.5eV和1.0eV，对应多模微型谐振腔的TE0模式输出时域波形。
图7(a)为第一层二维材料纳米带1和第二层二维材料纳米带2的费米能级分别设置为0.5eV和1.0eV，对应多模微型谐振腔的TE1模式混沌态克尔光频梳输出光谱。
图7(b)为第一层二维材料纳米带1和第二层二维材料纳米带2的费米能级分别设置为0.5eV和1.0eV，对应多模微型谐振腔的TE1模式混沌态克尔光频梳时域波形。
图7(c)为第一层二维材料纳米带1和第二层二维材料纳米带2的费米能级分别设置为0.5eV和1.0eV，对应多模微型谐振腔的TE1模式孤子态克尔光频梳输出光谱。
图7(d)为第一层二维材料纳米带1和第二层二维材料纳米带2的费米能级分别设置为0.5eV和1.0eV，对应多模微型谐振腔的TE1模式孤子态克尔光频梳时域波形。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
见图1，本发明提供一种基于二维材料纳米带的波导集成的多模克尔光频梳产生器件，包括第一层二维材料纳米带1、第二层二维材料纳米带2、绝缘体包层3、多模微型谐振腔4、第一电极对5、第二电极对6、第三电极对7、耦合波导8、绝缘层9和衬底层10；多模微型谐振腔4支持两种横电模TE传输，包括一阶横电模TE0与二阶横电模TE1，并通过克尔非线性产生一阶横电模TE0和二阶横电模TE1的克尔光频梳；衬底层10的上表面设有绝缘层9，绝缘层9的上表面设有多模微型谐振腔4，多模微型谐振腔4上从下到上依次设置有第一层二维材料纳米带1和第二层二维材料纳米带2，多模微型谐振腔4与第一层二维材料纳米带1之间、第一层二维材料纳米带1与第二层二维材料纳米带2之间均设有所述绝缘体包层3用于实现电隔离；本实施例中第一层二维材料纳米带1与第二层二维材料纳米带2的形状、宽度等都是不规则的。
第一电极对5与第一层二维材料纳米带1相连，第二电极对6与第二层二维材料纳米带2相连，通过在第一层二维材料纳米带1和第二层二维材料纳米带2上施加电压，调节第一层二维材料纳米带1和第二层二维材料纳米带2的费米能级，实现第一层二维材料纳米带1、第二层二维材料纳米带2对多模微型谐振腔4中不同空间模式的光学损耗和光学非线性系数的主动调控，实现选择性产生克尔光频梳的模式；第三电极对7与多模微型谐振腔4相连，用于为第一层二维材料纳米带1和第二层二维材料纳米带2提供背栅电压；耦合波导8通过倏逝场耦合多模微型谐振腔4中产生的克尔光频梳。其中多模微型谐振腔4的波导形状为中部向两侧呈阶梯状降低的结构。
图1是本发明保护的基于二维材料纳米带的波导集成的多模克尔光频梳产生器件示意图。以石墨烯二维材料为例，其主要制作方法如下：首先，多模微型谐振腔4是基于商用的硅-绝缘体(Silicon-on-Insulator，SOI)晶圆所设计，采用纳米加工方法制作在绝缘层9上，绝缘层9位于衬底层10上；然后，绝缘体包层3采用化学气相沉积法制作在多模微型谐振腔4上；其次，将第一层二维材料纳米带1的石墨烯采用纳米加工方法制作在绝缘体包层上；然后，绝缘体包层3采用化学气相沉积法制作在第一层二维材料纳米带1上；最后，将第二层二维材料纳米带2的石墨烯采用纳米加工方法制作在绝缘体包层3上。
图2(a)、图2(b)和图2(c)分别是上述的多模微型谐振腔4中位置I、II和III的波导截面示意图。首先，设计波导层的一组结构尺寸参数，包括波导层的宽度W，平板1的宽度W1，波导层的厚度H，平板1的厚度H1，平板2的厚度H2，根据不同模式在谐振腔中的有效折射率的二阶导数计算得到不同空间模式的色散曲线；最后通过调整不同二维材料纳米带的费米能级，激发产生不同模式的克尔光频梳。
实施例1
如图2(a)所示，选择波导材料选为硅材料，绝缘包层材料选为氧化铝材料，多模微型谐振腔中的波导层宽度W为600nm，平板1的宽度W1为300nm，波导层厚度H为500nm，平板1厚度H1为150nm，平板2厚度H2为70nm，二维材料纳米带设置为石墨烯，第一层二维材料纳米带1的石墨烯宽度设置为200nm，第二层二维材料纳米带2的石墨烯宽度设置为120nm，计算得到多模微型谐振腔4中TE0、TE1模式的色散曲线如图3所示。将第一层二维材料纳米带1和第二层二维材料纳米带2的费米能级分别设置为1.0eV和0.4eV，对应TE0和TE1模式的波导光损耗分别为2.8*10-5μm-1和7.2*10-4μm-1。
然后利用LLE方程计算双模克尔光频梳的频谱输出，LLE方程如下所示：
式中，tR为空腔往返时间,α为腔内损耗，κ为耦合系数，δ0为泵浦激光的相位失谐，L为腔长，β2为二阶色散系数，β3为三阶色散系数，γ＝(ωn2)/(cAeff)为非线性系数，βTPA为双光子吸收系数，Aeff为有效模场面积。各个参数选择如表1所示，输入功率为50mW，此时多模微型谐振腔的TE0模式混沌态克尔光频梳的输出光谱以及时域波形分别如图4(a)、图4(b)所示；多模微型谐振腔的TE0模式孤子态克尔光频梳的输出光谱以及时域波形分别如图4(c)、图4(d)所示；多模微型谐振腔的TE1模式的输出光谱和时域波形分别如图5(a)、图5(b)所示。由于石墨烯对TE1模式引入了很大的损耗，所以多模微型谐振腔内没有产生TE1模式的光频梳。
表1光梳仿真参数
实施例2
如图2(a)所示，选择波导材料选为硅材料，绝缘包层材料选为氧化铝材料，多模微型谐振腔中的波导层宽度W为600nm，平板1的宽度W1是300nm，波导层厚度H为500nm，平板1厚度H1为150nm，平板2厚度H2为70nm，二维材料纳米带设置为石墨烯，第一层二维材料纳米带1的石墨烯宽度设置为200nm，第二层二维材料纳米带2的石墨烯宽度设置为120nm，计算得到多模微型谐振腔中TE0、TE1模式的色散曲线如图3所示。将第一层二维材料纳米带1和第二层二维材料纳米带2的费米能级分别设置为0.5eV和1.0eV，对应TE0和TE1模式的波导光损耗分别为2.1*10-4μm-1和4.4*10-5μm-1。然后利用LLE方程计算双模克尔光频梳的频谱输出，LLE方程如下所示：
式中，tR为空腔往返时间,α为腔内损耗，κ为耦合系数，δ0为泵浦激光的相位失谐，L为腔长，β2为二阶色散系数，β3为三阶色散系数，γ＝(ωn2)/(cAeff)为非线性系数，βTPA为双光子吸收系数，Aeff为有效模场面积。各个参数选择如表2所示，输入功率为110mW，多模微型谐振腔的TE0模式的输出光谱和时域波形分别如图6(a)、图6(b)所示；多模微型谐振腔的TE1模式混沌态克尔光频梳的输出光谱以及时域波形分别如图7(a)、图7(b)所示；多模微型谐振腔的TE1模式孤子态克尔光频梳的输出光谱以及时域波形分别如图7(c)、图7(d)所示。由于石墨烯对TE0模式引入了很大的损耗，所以多模微型谐振腔内没有产生TE0模式的光频梳。
表2光梳仿真参数
最后，上述实施例的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于二维材料纳米带的多模克尔光频梳产生器件，其特征在于，包括第一层二维材料纳米带（1）、第二层二维材料纳米带（2）、绝缘体包层（3）、多模微型谐振腔（4）、第一电极对（5）、第二电极对（6）、第三电极对（7）、耦合波导（8）、绝缘层（9）和衬底层（10）；所述多模微型谐振腔（4）支持两种横电模TE传输，包括一阶横电模TE0与二阶横电模TE1，并通过克尔非线性产生一阶横电模TE0和二阶横电模TE1的克尔光频梳；所述衬底层（10）的上表面设有绝缘层（9），绝缘层（9）的上表面设有多模微型谐振腔（4），多模微型谐振腔（4）上设置有第一层二维材料纳米带（1）和第二层二维材料纳米带（2），多模微型谐振腔（4）与第一层二维材料纳米带（1）之间、第一层二维材料纳米带（1）与第二层二维材料纳米带（2）之间均设有所述绝缘体包层（3）用于实现电隔离；
所述第一电极对（5）与第一层二维材料纳米带（1）相连，所述第二电极对（6）与第二层二维材料纳米带（2）相连，通过在第一层二维材料纳米带（1）和第二层二维材料纳米带（2）上施加电压，调节第一层二维材料纳米带（1）和第二层二维材料纳米带（2）的费米能级，实现第一层二维材料纳米带（1）、第二层二维材料纳米带（2）对多模微型谐振腔（4）中不同空间模式的光学损耗和光学非线性系数的主动调控，实现选择性产生克尔光频梳的模式；所述第三电极对（7）与多模微型谐振腔（4）相连，用于为第一层二维材料纳米带（1）和第二层二维材料纳米带（2）提供背栅电压；所述的耦合波导（8）通过倏逝场耦合多模微型谐振腔（4）中产生的克尔光频梳。
2.根据权利要求1所述的一种基于二维材料纳米带的多模克尔光频梳产生器件，其特征在于，所述的第一层二维材料纳米带（1）和第二层二维材料纳米带（2）均是由石墨烯、过渡金属硫化物和黑磷中的一种或几种构成的异质材料，均为单层材料或若干层材料。
3.根据权利要求1所述的一种基于二维材料纳米带的多模克尔光频梳产生器件，其特征在于，所述多模微型谐振腔（4）和耦合波导（8）的材料是由硅、锗、氮化硅、磷化铟、氟化镁、砷化镓、砷化铝镓、铌酸锂、氮化铝中的一种或若干种构成。
4.根据权利要求1所述的一种基于二维材料纳米带的多模克尔光频梳产生器件，其特征在于，所述多模微型谐振腔（4）是由微环形谐振腔、微跑道形谐振腔、微盘形谐振腔其中的一种或几种构成。
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