第一作者：姚佰承, 黄书伟, 刘渊, Abhinav Kumar Vinod.

通讯作者：Chee Wei Wong, 段镶锋, 姚佰承,黄书伟

通讯单位：加州大学洛杉矶分校（美国）、电子科技大学

研究亮点：

1. 通过谐构建单晶石墨烯-氮化硅异质结，实现了光频梳的大范围可调。

2. 展示了丰富的多孤子态输出。

光频率梳被称为“万能时钟”，由T.Hanesch等人提出，并于2005年获得诺贝尔物理学奖。光频率梳以不连续的等间隔频率发射光脉冲，是现代频率计量学、精密光谱学、天文观测、超快光学和量子信息的基石。问题在于：无论是在微腔还是光纤腔中，谐振腔一旦形成，往往难以通过电场调谐，极大地限制了其应用。

石墨烯由于具有出色的费米-狄拉克可调性和超快的载流子迁移率，其光导性可通过栅极电压调整，因此有着复杂的光学色散性，能够极大地促进光电子（如调制器、光电探测器和可控等离子体激元）的发展。

有鉴于此，加州大学洛杉矶分校Chee WeiWong、段镶锋、姚佰承、黄书伟团队通过构建石墨烯异质结实现了谐振腔的色散操控，展示了石墨烯-氮化硅光频率梳的腔内栅极可调谐性。

值得一提的是，本文共同第一作者兼共同通讯姚佰承现为电子科技大学副教授，电子科技大学作为第二单位和共同通讯单位之一，实现了Nature零的突破！另外，本文另一共同第一作者刘渊现为湖南大学教授，这是刘渊今年发表的第二篇Nature。

图1. 栅极可调的石墨烯-氮化硅异质结微腔的概念设计和实现

研究人员可保持石墨烯基频梳中腔体品质因数高达10⁶，在单电压控制下，实施双层离子凝胶晶体管，以调节石墨烯在0.45-0.65电子伏特范围内的费米能级。在一个单一的微腔中，用它来产生电荷可调的从2.3太赫兹到7.2太赫兹的主梳线、相干克尔频率梳、可控的切伦科夫辐射和可控的孤子态。

研究表明，石墨烯的β2可通过栅极电压从异常到正常色散、又回到异常状态进行调整，这对非线性的相位匹配可调性非常重要，从而能够在石墨烯基微谐振器（GMR）中产生宽而可调的频率梳，其重频从90GHz覆盖到1.3THz，可同时输出数个光谱信号，

图2. 栅极可调的石墨烯微环谐振器

在约1600 nm的工作光谱范围中，石墨烯线性吸收受到泡利阻塞的强烈抑制，因此GMR的负载因子Q从约6×10⁵增加到10⁶，使得在1-W下产生频梳，这对于保护单层石墨烯免受损害并稳定梳状频率非常重要。此外，群速度色散调谐主要来源于石墨烯的狄拉克费米动力学，离子凝胶中的离子传输和热效应的影响较小。

通过VG调谐，滤波器窗口内的输出梳状线强度在时间上得到调制。调制速度受到异质结构中的离子扩散、石墨烯上的大离子凝胶电容和光学滤波器带宽的限制。

图3. 对栅极可调石墨烯克尔频率梳的观测

图4  栅控石墨烯氮化物微谐振器的孤子晶体

总之，这项研究结合单原子层纳米技术和超快光电子学的非均相石墨烯微腔，实现了石墨烯-氮化物非均相微谐振器可通过栅极电压和费米能级进行调谐，为孤子物理学研究提供一个新的平台。

参考文献：

Baicheng Yao, Shu-Wei Huang, Yuan Liu,Abhinav Kumar Vinod, Xiangfeng Duan, Chee Wei Wong et al. Gate-tunablefrequency combs in graphene–nitride microresonators. Nature 2018.