中大新聞網訊（通訊員張斌）近日，中山大學電子與信息工程學院、廣東省光電信息處理芯片與系統重點實驗室李朝暉教授、張斌教授團隊展示了一種具有寬透明窗口、高激光損傷閾值、強克爾非線性、高折射率差、大帶隙、低熱光系數的新型硅基硫系（GeSbS）光子材料平臺，并基于該材料制備了平均本征品質因子（Q值）高達1.97×106的芯片級光學微諧振腔，利用微納加工技術實現微腔靈活的群速度色散調控，并在同一個微諧振腔中的兩個偏振基模中分別產生低閾值（~10mW）亮、暗孤子克爾微梳（如圖1），有效地促進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日在線發表于Laser & Photonics Review光學雜志上。團隊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，中山大學為論文第一單位。
圖1. 用于產生孤子微梳的非線性硫系光子芯片示意圖
（被選為LPR第17卷第3期內封面）
微諧振腔中的集成非線性光子學將非線性光學與最先進的光子集成技術相結合，并在光與物質相互作用的效率、帶寬、相干性等方面起到了前所未有的促進作用。它們實現了一系列革命性的技術，包括芯片級的集成光頻梳（OFC）、超高帶寬的電光調制以及芯片級的量子光學。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注。受益于光學微腔增強的非線性效率、靈活的色散工程，能夠產生大帶寬、高相干、相位鎖定的小型化光學頻率梳，在分子光譜學、大規模并行光通信、數據中心光互聯、低噪聲微波合成、并行激光雷達等領域發揮了重要的作用。雖然目前有諸多光子集成平臺都實現了克爾光頻梳，但目前還缺少新材料平臺可以同時具備高非線性效率能夠滿足應用場景的功率預算，以及應用于新波段窗口而非聚焦于當前電信波段的潛力。硫系玻璃雖然具有高非線性系數，寬透明窗口對非線性光子學具有吸引力，但激光損傷閾值低、穩定性差對制造超低損耗的集成硫系光子芯片提出挑戰，實現對集成微諧振腔的色散工程、耦合設計的精確控制以及大批量的穩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）使用改進干法刻蝕工藝前后的波導側壁、滑輪波導耦合結構、具有二氧化硅包層的波導的SEM圖像。
基于以上現狀，該團隊首先通過優化材料組分，克服了砷基硫系玻璃的現有問題，制備出具有寬透明窗口（從0.5μm到10μm，無雙光子吸收），更高的激光損傷閾值（≈820.7GW·cm-2），強克爾非線性（1.4×10-1m2W-1，1550nm），大帶隙（2.64eV），高的玻璃化轉變溫度（>350°C），低熱光系數（≈3.1×10-5K-1）的Ge25Sb10S65（GeSbS）薄膜。無需額外加工如拋光和打磨，即可獲得4英寸沉積態GeSbS晶圓。降低表面和側壁的粗糙度對于實現高Q值的光子集成器件至關重要，因此采用了兩種改進的波導制備工藝：一是對GeSbS薄膜進行熱退火處理，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。二是優化氣相反應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，實現了光滑且幾乎垂直的微諧振腔側壁，降低了側壁散射損耗。在制備的半徑100μm，橫截面為2.4μm×0.8μm（寬×高）微諧振腔中，兩個偏振基模的本征Q值均高達106。
圖3. 亮孤子產生實驗驗證（a）GeSbS微諧振腔的熱光系數；（b）掃頻過程微諧振腔的傳輸譜線；（c）不同頻梳狀態下的強度噪聲頻譜；（d）頻梳頻譜演變。
圖4. 暗孤子產生實驗驗證（a）具有模式交叉特性到的集成色散曲線；（b）掃頻過程微諧振腔的傳輸譜線；（c）頻梳頻譜演變；（d）仿真時域脈沖占空比約為27.4%；（e）強度噪聲頻譜。
基于先進的微納加工工藝對波導的色散調控，團隊的研究人員成功演示了在同一微諧振器不同偏振態下中獲得完全不同的色散特性用于兩種孤子頻梳產生。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，通過將泵浦光從藍失諧調諧到紅失諧側時出現明顯的孤子臺階，腔內形成時域帶寬為61fs的單孤子脈沖，頻譜覆蓋1440-1680 nm波長范圍，強度噪聲顯著降低，表明頻梳進入鎖模低噪聲狀態。此外，TE00模式中微腔具有正常色散，利用基模和高級模之間的模式交叉引入的局部色散突變，進一步實現光譜覆蓋范圍為1510-1590 nm，重頻為200 GHz，轉換效率高達~21.8%的暗脈沖孤子微梳的產生。
該研究團隊提出了一個基于新的GeSbS微諧振腔的孤子微梳的集成非線性光子學平臺，該平臺具有高本征Q值、高非線性、低熱光系數和高激光損傷閾值。通過精確的色散工程在相同微諧振腔不同偏振模式族中實現了完全不同的色散曲線，TE00為正常色散，TM00為反常色散，并分別產生了亮孤子微梳和暗脈沖微梳。該結果展示了一個魯棒而緊湊的集成非線性平臺，并揭示了硅上異質全集成的潛在集成光子應用，如中紅外光譜學。
論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.202200219
