石墨烯-二氧化硅微腔中的锁模光机械频率梳：光子-电子-声子协同作用实现高相干微波时钟源

《SCIENCE ADVANCES》：Mode-locked optomechanical frequency combs in a graphene-silica microresonator

本研究针对传统微腔光机械系统中锁模状态难以确定性产生和稳定性不足的问题，报道了在石墨烯-二氧化硅微谐振器中实现锁模光机械微梳的突破。研究人员通过利用光机械反作用与石墨烯饱和吸收的协同效应，首次演示了由光子-电子-声子相互作用介导的锁模机制，形成了局域相干光学波包。该锁模光机械微梳的重复频率相位噪声在1 Hz偏移处低至-110.5 dBc/Hz，艾伦偏差低至3×10?12 @ 20秒，性能媲美铷原子钟，为高精度传感、通信和计量提供了紧凑型高性能微波源。

　　

在追求更高精度和更小尺寸的振荡器与频率源的道路上，科学家们一直致力于探索光与物质相互作用的新机制。腔光力学（cavity optomechanics）作为一门研究电磁辐射与微纳机械运动相互作用的学科，近年来在量子技术、通信、高精度传感和计量等领域展现出巨大潜力。特别是在微腔中，光力相互作用能够产生丰富的非线性动力学现象，如激光激发、混沌产生和声学频率梳形成。然而，要实现类似光学中锁模激光器那样稳定的脉冲输出——即光机械锁模——却面临重重挑战。传统的方案需要精确平衡机械色散与非线性的关系，以及声子增益与损耗的关系，这对微腔结构设计和实验控制提出了极高要求，导致锁模成功率低且脉冲动力学质量难以保证。

正是在这样的背景下，一项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究工作带来了突破。该研究团队创新性地将二维材料石墨烯引入到二氧化硅微球腔中，利用其独特的饱和吸收特性，与光机械相互作用协同，首次实现了确定性产生的锁模光机械微梳。这项研究不仅揭示了一种全新的光子-电子-声子协同锁模机制，还展示了其产生的微波信号具有媲美商用铷原子钟的稳定度，为下一代紧凑型高精度频率源和传感器开辟了新的技术路径。

研究人员主要采用了几个关键技术方法：首先是制备了高质量的石墨烯-二氧化硅混合微腔，通过电弧放电技术制备直径约690微米的二氧化硅微球，并利用干法转移技术将机械剥离的单层石墨烯精确沉积在微球表面特定位置；其次是搭建了精密的光力学测量系统，使用可调谐连续波激光器作为泵浦，结合参考激光器和外差探测技术，将光机械信息从光学波段下转换到射频波段进行高分辨率测量；第三是采用了基于修正的海森堡运动方程的理论模型，并结合分步法进行数值模拟，以分析饱和吸收影响下的锁模动力学；最后，应用了光学频率划分（optical frequency division）技术，通过锁定高阶梳线到射频参考源，显著降低了基频信号的相位噪声。

RESULTS

概念设计与机制

研究的概念设计核心是一个石墨烯辅助的二氧化硅微谐振器。直径约690微米的二氧化硅微球支持高Q值的光学模式和机械模式。通过将单层石墨烯片沉积在微球赤道面上方约10度的位置，确保了有效的光-物质相互作用同时避免了热损伤。当泵浦激光器从蓝失谐侧调谐到微腔共振时，光能通过光子-声子跃迁馈入机械模式，产生光机械振荡。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触发基于泡利阻塞（Pauli blocking）的电子-光子相互作用，最终导致锁模输出。理论分析表明，随着泵浦从共振中心向蓝失谐侧移动，腔内光功率逐渐降低，增强了石墨烯的饱和吸收效应，而机械振荡则因从光学模式发射到机械模式的声子增殖而放大，两者协同调制腔内场，最终形成锁模态。

光机械演化与时间频率测量

实验上，研究人员通过将泵浦从红失谐侧扫入共振，然后在蓝失谐区域激发光机械振荡。在蓝失谐过程中，腔内场经历了从正弦态、过渡态、谐波锁模到最终单脉冲锁模态的演化序列。测量结果显示，在双脉冲锁模态（状态iii）下，光谱呈现典型的莲花状双脉冲干涉特征；而在单脉冲锁模态（状态iv）下，则输出准双曲正割平方（sech²）形状的相干梳状光谱，具有稳定的7.6 MHz间隔，3-dB带宽达到约0.18 GHz。这种锁模光机械梳的形成确定性依赖于腔内功率，其转换效率较高，新频率成分贡献了总功率的72.67%。在未覆盖石墨烯的相同微腔中无法观察到锁模操作，证明了光子-声子-电子相互作用不可或缺。

锁模特性表征及其确定性产生

对锁模态的单脉冲测量显示其脉冲持续时间约为2.3纳秒，符合傅里叶变换时间带宽积。检索出的光谱也显示出约0.18 GHz的3-dB带宽和7.6 MHz的重复频率。相位谱分析表明各模式数的相位角平滑，验证了其锁相性质，但存在不对称性，暗示脉冲内部存在固有的啁啾，表明该锁模波并非依赖于非线性-色散平衡的孤子。自拍频信号测量显示第一个机械振荡位于约7.6 MHz，线宽小于10 Hz，信噪比高于72 dB，表明锁模态具有高相干性。与依赖双重平衡的光机械孤子形成不同，这种锁模操作仅需匹配光机械反作用带来的光学增益与总腔损耗，即可实现增益与损耗的平衡。研究还通过固定泵浦失谐（Δ ≈ 7.6 MHz）并改变泵浦功率，同样观察到了从正弦态、过渡态到锁模态的演化，证实了锁模产生的确定性，其主要贡献来源于石墨烯的饱和吸收。统计测量显示，在1550至1550.7纳米波段内的126个光学模式中，锁模态的成功产生率高达80.9%，且在不同泵浦波长（如1530纳米和1570纳米）下也能有效实现，证明了该机制的宽带适用性。

稳定锁模光机械梳

研究人员进一步展示了锁模光机械振荡在应用中的潜力。通过借鉴光学频率划分技术，他们将第62条梳线（位于471.2 MHz）锁定到一个射频参考源上，实现了对基频信号（7.6 MHz）噪声的抑制。反馈锁定后，基频信号的单边带相位噪声（SSB-PN）在1 Hz偏移处显著改善至-110.5 dBc/Hz，在1 kHz偏移处为-156.5 dBc/Hz。其艾伦偏差在20秒时达到3×10^?12，性能与标准的铷原子钟相当。这种基于频率同步的稳定化处理，使得石墨烯辅助的光机械锁模达到了前所未有的稳定度。

讨论与结论

该研究成功揭示并演示了在石墨烯辅助的二氧化硅微谐振器中形成锁模光机械频率梳的物理机制和性能。稳定的光机械脉冲源于光学和机械振荡过程中的光子-声子-电子相互作用：首先，腔内光子的辐射压力激发光机械振荡；随后，机械波调制光波，产生强度调制；最后，基于石墨烯饱和吸收的能量转换锁定这种调制，形成光学和声学驻波的协同共振。在整个过程中，光机械增益和损耗达到平衡。研究表明，这种锁模效应是确定性的，只要腔内光功率适当就必然会出现。相位锁定的光谱呈现出均匀的准sech²形状，时域上产生稳定的纳秒脉冲。通过频率划分技术稳定其重复频率后，其相位噪声和艾伦偏差均达到极高水平。该锁模操作的成功主要依赖于光子-声子耦合效率和饱和吸收深度，这表明该技术可适用于多种微腔结构（如微盘、环形腔和片上微环）。通过优化光学和机械Q因子，光机械梳的质量有望进一步提升。这项在微纳几何结构中利用石墨烯基光电子锁定来局域声子的能力，架起了光力学与二维材料光电子学之间的桥梁，为射频时钟、高精度传感和微型陀螺仪等应用开辟了新途径。