电子科技大学Nature零突破，姚佰承一作兼通讯，湖南大学刘渊共一作！

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10 ⁶ ，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6×10 ⁵ 增加到10 ⁶ ，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。