石墨烯吸收体助力光纤激光技术取得突破

研究人员展示了基于CMOS兼容工艺制造的硅基石墨烯吸收体在光纤激光器中的主动与被动锁模应用，突破了传统半导体器件的性能限制，为全集成锁模激光系统提供了新方案。这项创新为可扩展的集成锁模激光系统铺平道路，将在通信、气体光谱和生物医学领域发挥关键作用。

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研究背景与意义

锁模激光器的应用需求

：超短脉冲激光在通信、气体光谱分析和生物医学等领域至关重要，其核心在于实现相位锁定的等间距频率梳。

传统技术瓶颈

：III/V半导体饱和吸收体（如SESAM）受限于窄带宽（~50 nm）、慢恢复时间（~2.5 ps）及高成本集成工艺，制约了高性能锁模激光器的发展。

二维材料的优势

：石墨烯凭借超快恢复时间（~200 fs）、超宽带响应（覆盖可见光至中红外）和可电调谐特性，成为理想替代方案。然而，现有石墨烯集成方法（如光纤端面附着）存在调制深度低（<1%）、不可扩展等问题。

技术创新点

器件设计与制造：

结构

：在绝缘体上硅（SOI）波导表面集成单层石墨烯，利用掺杂硅作为栅极，通过电调控石墨烯费米能级（±3 V偏压范围），实现吸收特性的动态调节。

工艺

：采用300 mm晶圆级CMOS工艺，包括CVD石墨烯转移、ALD-AlOx封装、多层金属互连等步骤，确保高一致性和可扩展性。

性能参数

：器件电光带宽达11.2 GHz，消光比5 dB，支持高速调制（>10 GHz）。

被动锁模机制：

饱和吸收效应

：通过泡利阻塞（Pauli-blocking）实现，高光强下石墨烯吸收饱和，净腔损耗降低，促使脉冲形成。

硅波导双光子吸收（TPA）抑制

：优化光强范围（15-34 dBm），使石墨烯饱和吸收主导，克服硅TPA的负面影响。

主动锁模实现：

电调制机制

：利用石墨烯电吸收效应，在腔长11 m的环形腔中，通过4 GHz/10 GHz射频信号调制腔损耗，实现高重复频率锁模。

非线性谐波利用

：通过偏置电压控制调制非线性，产生高次谐波，扩展锁模频率范围（图7e）。

实验结果

被动锁模性能：

脉冲特性

：在27.9 MHz基频下生成1.7 ps超短脉冲，光谱带宽2.6 nm，信噪比51 dB，输出功率3 dBm。

参数影响

：泵浦电流（300-450 mA）和吸收体长度（50-100 μm）影响锁模稳定性，电调谐（-3 V至0 V偏压）可补偿工艺导致的寄生掺杂（图5-6）。

主动锁模突破：

高频锁模

：在4 GHz和10 GHz重复频率下实现稳定锁模，满足高速ADC时钟源需求（图8）。

带宽限制因素

：光栅耦合器带宽（~30 nm）和EDFA增益不均匀性限制光谱扩展，未来可通过边缘耦合器和增益平坦滤波器优化。

讨论与展望

性能限制与改进

：硅TPA效应在更高光强下可能主导损耗，需结合色散管理（如啁啾补偿光纤）和新型波导材料（如SiN）优化。

全集成潜力

：结合晶圆级制造的增益介质（如离子注入SiN放大器）与石墨烯吸收体，有望实现单片集成锁模激光器。

应用扩展

：石墨烯的宽带响应（1.5-2 μm）可支持多波段锁模，在光通信、光学频率梳等领域具有广泛前景。

结论

本研究通过CMOS兼容工艺成功将石墨烯吸收体集成于硅光子平台，实现了被动（28 MHz/1.7 ps）和主动（10 GHz）锁模，验证了其在高速、高集成度激光系统中的可行性，为下一代光子集成电路提供了关键技术路径。随着技术迭代，更高效紧凑的激光解决方案将满足科研与工业领域日益增长的需求，为光通信、精密测量等应用开启全新可能。

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