石墨烯-二氧化硅微腔中的锁模光机械频率梳

锁模是共振模式通过非线性相互作用实现稳定同步的关键过程，它能让光子和电子源产生脉冲波形，在超快光学、强场光学及频率梳生成中作用重大。本文报道了一种包含光子-电子-声子相互作用的机制，在石墨烯沉积的二氧化硅微谐振器中成功激发锁模光机械微梳，这一成果由光机械反作用与石墨烯饱和吸收的协同作用共同决定。具体而言，循环光场会诱导机械振荡，进而调制光波，而石墨烯中的保罗阻塞效应会锁定单个光机械模式，最终在单个微腔内部形成局域化的相干光波包。此外，借助分频技术，这种锁模光机械微梳实现了出色的重复频率稳定性：在1赫兹偏移处，其相位噪声降至-110.5分贝（相对于载波每赫兹）；阿伦偏差在20秒时低至3×10⁻¹²，这一性能可与标准铷钟相媲美。

腔光机械学源于电磁辐射与微/纳米机械运动之间的相互作用，在量子技术、通信、高精度传感、陀螺以及计量等众多科学和技术领域引发了广泛关注。在腔共振的蓝失谐区域，光子能够将声子发射到机械模式中，从而提供机械增益，由此产生激光激发、混沌生成、声梳形成等多种现象。不过，类似于光学微腔中耗散克尔孤子的形成，机械孤子的产生需要机械色散，这对腔结构提出了额外要求，同时还需要精确的频率失谐和热控制，这在一定程度上限制了锁模的成功率和脉冲动力学质量。

为了实现可靠的锁模，一种有前景的方法是在光机械腔中引入光电纳米材料以增强饱和吸收性能，而石墨烯正是理想的候选材料。由于其独特的无带隙特性，石墨烯能够在紫外至太赫兹的宽带范围内实现光子-电子相互作用，已被广泛应用于脉冲激光器、调制器和非线性转换等领域。同时，石墨烯凭借其优异的机械性能，在光机械学领域也展现出巨大潜力。

本研究中，科研人员制备了石墨烯辅助的二氧化硅微谐振器：采用直径约690微米的二氧化硅微球（自由光谱范围约为95.2 GHz），该微球同时支持高品质因子的光学模式和机械模式，随后通过干转移技术在微球赤道平面上方10°处沉积机械剥离的单层石墨烯薄片，以确保有效的光-物质相互作用并避免热损伤。当通过锥形光纤将单频泵浦激光调谐到微腔的共振模式（从蓝失谐侧）时，光能通过光子-声子跃迁馈入机械模式，从而获得光机械振荡。当腔内功率满足石墨烯的饱和吸收条件时，光波与机械波之间的调制会基于保罗阻塞触发电子-光子相互作用，进而实现锁模输出。

实验过程中，随着腔内功率的调节，腔内光场从正弦状态演变为过渡状态，最终形成锁模状态。在此过程中，研究人员观察到了标准的莲花状双脉冲光谱和类sech²单脉冲光谱，机械重复频率为7.6 MHz。这种锁模光机械微梳的形成确定性地依赖于腔内功率，其独特之处在于源于石墨烯-二氧化硅微腔中光子、电子和声子之间的交叉相互作用，与通过波混频、Kuznetsov-Ma转变、Akhmediev呼吸子以及运动局域化等方式生成的其他微梳有所不同。

通过全息数据采集，研究人员展示了这四种状态（正弦状态、过渡状态、双脉冲状态和单脉冲状态）的时间轨迹和光谱。在双脉冲状态下，光谱呈现典型的双脉冲干涉特征；而在单脉冲状态下，器件输出具有准sech²形状的相干梳状光谱，频率间隔稳定为7.6 MHz，3分贝带宽约为0.18 GHz。对锁模状态的表征显示，单个脉冲持续时间约为2.3 ns，相位频谱平滑，证实了其相位锁定特性，自拍信号的信噪比高于72 dB，表明锁模状态具有高相干性。

研究还发现，锁模状态的形成可以通过调节泵浦失谐或泵浦功率来实现。当泵浦频率处于蓝失谐区域时，通过调整泵浦失谐或功率，使腔内功率和饱和吸收调制深度达到合适条件，即可确定性地获得锁模状态。这种锁模操作的成功率与光学泵浦模式族无关，在1550 nm波段的126个模式中，有107个模式成功实现了锁模，成功率达80.9%。

此外，利用分频技术对锁模光机械微梳进行稳定化处理，将第62条梳线锁定在射频参考上，使第一条梳线的相位噪声和频率稳定性得到显著提升。这一成果不仅为腔光机械学与二维材料光电子学之间架起了桥梁，还为射频时钟、高精度传感、微型陀螺等腔光机械应用开辟了新的途径。