近日，天津大學精密儀器與光電子工程學院的程振洲教授與劉鐵根教授課題組，研發了一種基于二維材料納米帶的多模克爾光頻梳產生器件，成果獲中國發明專利（ZL202210226723.8）授權。

光頻梳是光譜包含一系列嚴格等間距，并且各個譜線之間的相位相互鎖定的相干光源，已被證明可用于光通信、光互連、光測距等多個領域。目前，已經有多種方法產生光頻梳，其中，波導集成的克爾光頻梳是一種極具前景的技術。在此技術中，利用波導器件中的相位調制、交叉相位調制、四波混頻等三階非線性效應，結合調制不穩定性產生克爾光頻梳。

波導集成的克爾光頻梳具有頻譜范圍寬、泵浦閾值低、頻率穩定性高、體積小易集成等優勢，已經成為近年來的研究熱點。然而，現有的波導集成的克爾光頻梳均是針對諧振腔中單一模式產生或調控，在一定程度上限制了克爾光頻梳在多模器件和系統中的應用。

圖1.所發明的基于二維材料納米帶的多模克爾光頻梳產生器件。(a)器件示意圖。(b-d)當TE0模式被激發時，克爾光頻梳分別處于圖靈態、混沌態、孤子態時的輸出光譜。(e-g)當TE0模式被激發時，克爾光頻梳分別處于圖靈態、混沌態、孤子態時的時域波形。(h-j)當TE1模式被激發時，克爾光頻梳分別處于圖靈態、混沌態、孤子態時的輸出光譜。(k-m)當TE1模式被激發時，克爾光頻梳分別處于圖靈態、混沌態、孤子態時的時域波形。

在本項工作中，研究者們發明了一種基于二維材料納米帶的多模克爾光頻梳產生器件。如圖1a所示，在硅-絕緣體（silicon-on-insulator）晶圓上設計一個多模微環諧振腔，在微環諧振腔的上方鋪設了多個二維材料納米帶，通過調控不同二維材料納米帶的費米能級可以對不同的空間模式引入特定損耗，從而選擇性的產生不同模式的克爾光頻梳。如圖1（b-g）所示，當TE0模式的克爾光頻梳處于單孤子態時，克爾光頻梳在1.47 - 1.67 μm的波長范圍內包含143條梳線。如圖1（h-m）所示，當TE1模式的克爾光頻梳處于單孤子態時，克爾光頻梳在1.49 - 1.62 μm的波長范圍內包含76條梳線。

本發明可以通過調節集成在多模諧振腔上的二維材料層的費米能級，選擇性地激發不同模式的克爾光頻梳，為開發外場調控的克爾光頻梳提供了新思路，并為克爾光頻梳拓展了一個空間模式的新維度。通過級聯所發明的克爾光頻梳，可以實現波分復用和模分復用系統，而不需要任何模式轉換器件，有望降低成本、減小片上系統面積、以及由扇入和扇出器件引起的插入光學損耗，有利于實現高集成度、高性能的光通信和光互連系統。該器件是基于課題組研發的雙模凸波導中的色散調控技術（IEEE Photonics Journal 12, 6601506, 2020）和波導集成的石墨烯調控的雙模克爾光頻梳發明（IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 28, 5100107, 2022）。

審核編輯：劉清