中大新聞網(wǎng)訊（通訊員張斌）近日，中山大學(xué)電子與信息工程學(xué)院、廣東省光電信息處理芯片與系統(tǒng)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李朝暉教授、張斌教授團(tuán)隊(duì)展示了一種具有寬透明窗口、高激光損傷閾值、強(qiáng)克爾非線(xiàn)性、高折射率差、大帶隙、低熱光系數(shù)的新型硅基硫系（GeSbS）光子材料平臺(tái)，并基于該材料制備了平均本征品質(zhì)因子（Q值）高達(dá)1.97×106的芯片級(jí)光學(xué)微諧振腔，利用微納加工技術(shù)實(shí)現(xiàn)微腔靈活的群速度色散調(diào)控，并在同一個(gè)微諧振腔中的兩個(gè)偏振基模中分別產(chǎn)生低閾值（~10mW）亮、暗孤子克爾微梳（如圖1），有效地促進(jìn)了光子器件的全單片集成。
該成果以“Integrated Chalcogenide Photonics for Microresonator Soliton Combs”（用于微腔孤子頻梳的集成硫系光子芯片）為題，在2022年11月3日在線(xiàn)發(fā)表于Laser & Photonics Review光學(xué)雜志上。團(tuán)隊(duì)博士生夏迪為第一作者，張斌教授和李朝暉教授為論文通訊作者，中山大學(xué)為論文第一單位。
圖1. 用于產(chǎn)生孤子微梳的非線(xiàn)性硫系光子芯片示意圖
（被選為L(zhǎng)PR第17卷第3期內(nèi)封面）
微諧振腔中的集成非線(xiàn)性光子學(xué)將非線(xiàn)性光學(xué)與最先進(jìn)的光子集成技術(shù)相結(jié)合，并在光與物質(zhì)相互作用的效率、帶寬、相干性等方面起到了前所未有的促進(jìn)作用。它們實(shí)現(xiàn)了一系列革命性的技術(shù)，包括芯片級(jí)的集成光頻梳（OFC）、超高帶寬的電光調(diào)制以及芯片級(jí)的量子光學(xué)。其中，基于光子集成微諧振腔的克爾光頻梳引起了人們的廣泛關(guān)注。受益于光學(xué)微腔增強(qiáng)的非線(xiàn)性效率、靈活的色散工程，能夠產(chǎn)生大帶寬、高相干、相位鎖定的小型化光學(xué)頻率梳，在分子光譜學(xué)、大規(guī)模并行光通信、數(shù)據(jù)中心光互聯(lián)、低噪聲微波合成、并行激光雷達(dá)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要的作用。雖然目前有諸多光子集成平臺(tái)都實(shí)現(xiàn)了克爾光頻梳，但目前還缺少新材料平臺(tái)可以同時(shí)具備高非線(xiàn)性效率能夠滿(mǎn)足應(yīng)用場(chǎng)景的功率預(yù)算，以及應(yīng)用于新波段窗口而非聚焦于當(dāng)前電信波段的潛力。硫系玻璃雖然具有高非線(xiàn)性系數(shù)，寬透明窗口對(duì)非線(xiàn)性光子學(xué)具有吸引力，但激光損傷閾值低、穩(wěn)定性差對(duì)制造超低損耗的集成硫系光子芯片提出挑戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)集成微諧振腔的色散工程、耦合設(shè)計(jì)的精確控制以及大批量的穩(wěn)定制備的方案尚未被提出。
圖2. 制備工藝和表征（a）高Q值集成微諧振腔的制備工藝；（b、c）5×5μm2面積的片上GeSbS薄膜在退火前和350℃退火后的3D原子力顯微（AFM）圖像；（d-g）使用改進(jìn)干法刻蝕工藝前后的波導(dǎo)側(cè)壁、滑輪波導(dǎo)耦合結(jié)構(gòu)、具有二氧化硅包層的波導(dǎo)的SEM圖像。
基于以上現(xiàn)狀，該團(tuán)隊(duì)首先通過(guò)優(yōu)化材料組分，克服了砷基硫系玻璃的現(xiàn)有問(wèn)題，制備出具有寬透明窗口（從0.5μm到10μm，無(wú)雙光子吸收），更高的激光損傷閾值（≈820.7GW·cm-2），強(qiáng)克爾非線(xiàn)性（1.4×10-1m2W-1，1550nm），大帶隙（2.64eV），高的玻璃化轉(zhuǎn)變溫度（>350°C），低熱光系數(shù)（≈3.1×10-5K-1）的Ge25Sb10S65（GeSbS）薄膜。無(wú)需額外加工如拋光和打磨，即可獲得4英寸沉積態(tài)GeSbS晶圓。降低表面和側(cè)壁的粗糙度對(duì)于實(shí)現(xiàn)高Q值的光子集成器件至關(guān)重要，因此采用了兩種改進(jìn)的波導(dǎo)制備工藝：一是對(duì)GeSbS薄膜進(jìn)行熱退火處理，退火后薄膜表面的均方根（RMS）粗糙度從退火前的0.62nm降低至0.24nm。二是優(yōu)化氣相反應(yīng)離子刻蝕和電感耦合等離子體（RIE-ICP）的CF4/CHF3/Ar氣體刻蝕配比和氣體流速等工藝參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了光滑且?guī)缀醮怪钡奈⒅C振腔側(cè)壁，降低了側(cè)壁散射損耗。在制備的半徑100μm，橫截面為2.4μm×0.8μm（寬×高）微諧振腔中，兩個(gè)偏振基模的本征Q值均高達(dá)106。
圖3. 亮孤子產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（a）GeSbS微諧振腔的熱光系數(shù)；（b）掃頻過(guò)程微諧振腔的傳輸譜線(xiàn)；（c）不同頻梳狀態(tài)下的強(qiáng)度噪聲頻譜；（d）頻梳頻譜演變。
圖4. 暗孤子產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證（a）具有模式交叉特性到的集成色散曲線(xiàn)；（b）掃頻過(guò)程微諧振腔的傳輸譜線(xiàn)；（c）頻梳頻譜演變；（d）仿真時(shí)域脈沖占空比約為27.4%；（e）強(qiáng)度噪聲頻譜。
基于先進(jìn)的微納加工工藝對(duì)波導(dǎo)的色散調(diào)控，團(tuán)隊(duì)的研究人員成功演示了在同一微諧振器不同偏振態(tài)下中獲得完全不同的色散特性用于兩種孤子頻梳產(chǎn)生。只需要10mW的泵浦光功率，在微諧振器具有反常色散的TM00模式族中，通過(guò)將泵浦光從藍(lán)失諧調(diào)諧到紅失諧側(cè)時(shí)出現(xiàn)明顯的孤子臺(tái)階，腔內(nèi)形成時(shí)域帶寬為61fs的單孤子脈沖，頻譜覆蓋1440-1680 nm波長(zhǎng)范圍，強(qiáng)度噪聲顯著降低，表明頻梳進(jìn)入鎖模低噪聲狀態(tài)。此外，TE00模式中微腔具有正常色散，利用基模和高級(jí)模之間的模式交叉引入的局部色散突變，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)光譜覆蓋范圍為1510-1590 nm，重頻為200 GHz，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)~21.8%的暗脈沖孤子微梳的產(chǎn)生。
該研究團(tuán)隊(duì)提出了一個(gè)基于新的GeSbS微諧振腔的孤子微梳的集成非線(xiàn)性光子學(xué)平臺(tái)，該平臺(tái)具有高本征Q值、高非線(xiàn)性、低熱光系數(shù)和高激光損傷閾值。通過(guò)精確的色散工程在相同微諧振腔不同偏振模式族中實(shí)現(xiàn)了完全不同的色散曲線(xiàn)，TE00為正常色散，TM00為反常色散，并分別產(chǎn)生了亮孤子微梳和暗脈沖微梳。該結(jié)果展示了一個(gè)魯棒而緊湊的集成非線(xiàn)性平臺(tái)，并揭示了硅上異質(zhì)全集成的潛在集成光子應(yīng)用，如中紅外光譜學(xué)。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.202200219
