基于石墨烯辅助的耦合微腔系统中宇称时间对称性及其应用研究

Parity-time symmetry in photonic structures has attracted much attention in recent years, and the optical microresonator is one of the ideal research platforms for parity-time symmetry. In reported work based on coupled optical microresonators, erbium-doped silica microresonators are mainly used, and the loss in the silica microresonator is difficult to be controlled. Therefore, it is very difficult to demonstrate the scheme in CMOS-compatible integrated photonic structures. Here, we propose a scheme based on coupled silicon nitride microresonators combined with graphene, and the gain can be supplied by the raman effect and the loss can be introduced by graphene. Because the loss induced by graphene can be electrically tuned, we can control the gain and the loss in the system separately and accurately. Therefore, we can realize parity-time symmetry and parity-time breaking in the CMOS-compatible integrated photonic devices. Besides, we will study the nonreciprocal light propagation based on the nonlinear effect and loss-induced raman lasing based on this system. For the silicon nitride microresonator has high quality factor without two photon absorption, and thus it possesses excellent nonlinear properties. Optical nonreciprocal propagation and raman lasing with microwatt-level pump power can be achieved in the coupled silicon nitride microresonators. This project can broaden the applications of integrated photonic devices for the manipulation of optical fields.

近年来，光学结构中的宇称时间对称性及其应用成为研究者们关注的前沿热点，其中光学微腔是研究该效应的理想平台之一。目前已报道的基于耦合光学微腔系统的方案主要使用了掺铒氧化硅微腔，而且氧化硅微腔的本征损耗调控也较为困难，因此难以在现有CMOS兼容集成光子学结构中实现。本项目提出了基于耦合氮化硅微腔系统结合石墨烯材料的方案，利用微腔中拉曼效应提供增益、石墨烯覆盖层提供损耗。由于石墨烯的损耗能够通过电调，从而可以分别精确调控系统中的增益和损耗，有效解决在常规CMOS兼容集成光子器件中宇称时间对称到破缺完整物理过程的观测问题。此外，还研究了该耦合微腔系统中基于非线性效应的非互易光传输和基于损耗控制的拉曼激射。由于氮化硅微腔具有高品质因子且没有双光子吸收，具有很好的非线性特性，可以实现微瓦级泵浦功率的光学非互易传输及拉曼激射。本项目的研究内容为在集成光子器件中实现光场调控及其应用提供了新的途径。

近年来，宇称时间对称性（Parity-time, PT）在光学系统中的实现及其应用成为了研究者们关注的热点，其中光学微腔是研究PT对称性的理想平台。目前已报道的耦合腔系统方案主要使用有源材料提供增益，为了能够观测从PT对称到破缺的演变过程，需要使用两个分离结构上的微腔以便通过改变微腔间距来改变其耦合系数，或引入外部散射源来控制损耗，因此难以在CMOS兼容的集成光子结构中实现。另一方面，已报道的集成无源非互易光传输方案存在着插入损耗大、隔离度低、响应速度慢等限制，需要采用新的机制来实现工艺可行性高且低功耗的光学非互易器件。本项目中我们提出了基于石墨烯辅助的耦合氮化铝微腔系统实现PT对称性观测的方案，分析了氮化铝微腔中的拉曼增益特性和石墨烯诱导的损耗特性，通过调控增益和损耗观测到了从PT对称到破缺的转变过程，并观测到了腔内场强随石墨烯损耗增加经历了抑制和增强的现象。在此基础上引入增益饱和非线性实现了非互易光传输，通过优化系统参数隔离度可达26 dB。我们实验制备了Q值达106量级的氮化铝微环腔，并观测到了不同泵浦模式下的受激拉曼散射现象。此外，还制备了光力微腔器件，利用光梯度力引起的力学克尔效应成功实现了片上非互易光传输，同时基于氮化铝平台提出了一种类莫比乌斯带的新型微环腔，能实现有效的偏振模式调控。本项目所提出的器件具有集成度高、功耗低、系统稳定的优势，能够有效实现微纳尺度光场调控，在片上全光信号处理中具有重要的应用前景。