中大新闻网讯（通讯员张斌）近日，中山大学电子与信息工程学院、广东省光电信息处理芯片与系统重点实验室李朝晖教授、张斌教授团队展示了一种具有宽透明窗口、高激光损伤阈值、强克尔非线性、高折射率差、大带隙、低热光系数的新型硅基硫系（GeSbS）光子材料平台，并基于该材料制备了平均本征品质因子（Q值）高达1.97×106的芯片级光学微谐振腔，利用微纳加工技术实现微腔灵活的群速度色散调控，并在同一个微谐振腔中的两个偏振基模中分别产生低阈值（~10mW）亮、暗孤子克尔微梳（如图1），有效地促进了光子器件的全单片集成。
该成果以“Integrated Chalcogenide Photonics for Microresonator Soliton Combs”（用于微腔孤子频梳的集成硫系光子芯片）为题，在2022年11月3日在线发表于Laser & Photonics Review光学杂志上。团队博士生夏迪为第一作者，张斌教授和李朝晖教授为论文通讯作者，中山大学为论文第一单位。
图1. 用于产生孤子微梳的非线性硫系光子芯片示意图
（被选为LPR第17卷第3期内封面）
微谐振腔中的集成非线性光子学将非线性光学与最先进的光子集成技术相结合，并在光与物质相互作用的效率、带宽、相干性等方面起到了前所未有的促进作用。它们实现了一系列革命性的技术，包括芯片级的集成光频梳（OFC）、超高带宽的电光调制以及芯片级的量子光学。其中，基于光子集成微谐振腔的克尔光频梳引起了人们的广泛关注。受益于光学微腔增强的非线性效率、灵活的色散工程，能够产生大带宽、高相干、相位锁定的小型化光学频率梳，在分子光谱学、大规模并行光通信、数据中心光互联、低噪声微波合成、并行激光雷达等领域发挥了重要的作用。虽然目前有诸多光子集成平台都实现了克尔光频梳，但目前还缺少新材料平台可以同时具备高非线性效率能够满足应用场景的功率预算，以及应用于新波段窗口而非聚焦于当前电信波段的潜力。硫系玻璃虽然具有高非线性系数，宽透明窗口对非线性光子学具有吸引力，但激光损伤阈值低、稳定性差对制造超低损耗的集成硫系光子芯片提出挑战，实现对集成微谐振腔的色散工程、耦合设计的精确控制以及大批量的稳定制备的方案尚未被提出。
图2. 制备工艺和表征（a）高Q值集成微谐振腔的制备工艺；（b、c）5×5μm²面积的片上GeSbS薄膜在退火前和350℃退火后的3D原子力显微（AFM）图像；（d-g）使用改进干法刻蚀工艺前后的波导侧壁、滑轮波导耦合结构、具有二氧化硅包层的波导的SEM图像。
基于以上现状，该团队首先通过优化材料组分，克服了砷基硫系玻璃的现有问题，制备出具有宽透明窗口（从0.5μm到10μm，无双光子吸收），更高的激光损伤阈值（≈820.7GW·cm-2），强克尔非线性（1.4×10-1m2W-1，1550nm），大带隙（2.64eV），高的玻璃化转变温度（>350°C），低热光系数（≈3.1×10-5K-1）的Ge25Sb10S65（GeSbS）薄膜。无需额外加工如抛光和打磨，即可获得4英寸沉积态GeSbS晶圆。降低表面和侧壁的粗糙度对于实现高Q值的光子集成器件至关重要，因此采用了两种改进的波导制备工艺：一是对GeSbS薄膜进行热退火处理，退火后薄膜表面的均方根（RMS）粗糙度从退火前的0.62nm降低至0.24nm。二是优化气相反应离子刻蚀和电感耦合等离子体（RIE-ICP）的CF4/CHF3/Ar气体刻蚀配比和气体流速等工艺参数，实现了光滑且几乎垂直的微谐振腔侧壁，降低了侧壁散射损耗。在制备的半径100μm，横截面为2.4μm×0.8μm（宽×高）微谐振腔中，两个偏振基模的本征Q值均高达106。
图3. 亮孤子产生实验验证（a）GeSbS微谐振腔的热光系数；（b）扫频过程微谐振腔的传输谱线；（c）不同频梳状态下的强度噪声频谱；（d）频梳频谱演变。
图4. 暗孤子产生实验验证（a）具有模式交叉特性到的集成色散曲线；（b）扫频过程微谐振腔的传输谱线；（c）频梳频谱演变；（d）仿真时域脉冲占空比约为27.4%；（e）强度噪声频谱。
基于先进的微纳加工工艺对波导的色散调控，团队的研究人员成功演示了在同一微谐振器不同偏振态下中获得完全不同的色散特性用于两种孤子频梳产生。只需要10mW的泵浦光功率，在微谐振器具有反常色散的TM00模式族中，通过将泵浦光从蓝失谐调谐到红失谐侧时出现明显的孤子台阶，腔内形成时域带宽为61fs的单孤子脉冲，频谱覆盖1440-1680 nm波长范围，强度噪声显著降低，表明频梳进入锁模低噪声状态。此外，TE00模式中微腔具有正常色散，利用基模和高级模之间的模式交叉引入的局部色散突变，进一步实现光谱覆盖范围为1510-1590 nm，重频为200 GHz，转换效率高达~21.8%的暗脉冲孤子微梳的产生。
该研究团队提出了一个基于新的GeSbS微谐振腔的孤子微梳的集成非线性光子学平台，该平台具有高本征Q值、高非线性、低热光系数和高激光损伤阈值。通过精确的色散工程在相同微谐振腔不同偏振模式族中实现了完全不同的色散曲线，TE00为正常色散，TM00为反常色散，并分别产生了亮孤子微梳和暗脉冲微梳。该结果展示了一个鲁棒而紧凑的集成非线性平台，并揭示了硅上异质全集成的潜在集成光子应用，如中红外光谱学。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/lpor.202200219
