[論文レビュー] Free-standing high quality factor thin-film lithium niobate micro-photonic disk resonators

Renyuan Wang, Sunil A. Bhave|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2014

Mechanical and Optical Resonators参考文献 8被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、MEMS技術を用いてシリコン基板上に自由支持型薄膜リン酸ニッブ酸エステル（LN）マイクロフォトニクスディスクレゾネータを実装し、484,000の高い固有光学Qファクター（Q）を達成した。リリースされた構造によるオプトメカニカル結合を活用し、56 MHzの径方向呼吸モードを励振することで、2,700の機械的Qを達成し、音響光変調を実証した。

ABSTRACT

Lithium Niobate (LN or just niobate) thin-film micro-photonic resonators have promising prospects in many applications including high efficiency electro-optic modulators, optomechanics and nonlinear optics. This paper presents free-standing thin-film lithium niobate photonic resonators on a silicon platform using MEMS fabrication technology. We fabricated a 35um radius niobate disk resonator that exhibits high intrinsic optical quality factor (Q) of 484,000. Exploiting the optomechanical interaction from the released free-standing structure and high optical Q, we were able to demonstrate acousto-optic modulation from these devices by exciting a 56MHz radial breathing mechanical mode (mechanical Q of 2700) using a probe.

研究の動機と目的

• 統合フォトニクス応用を目的とした薄膜リン酸ニッブ酸エステル（LN）を基盤とする高Qファクター光レゾネータの開発。
• MEMSベースのプロセスを用いて、浮上構造における光学的および機械的Qの制限を克服すること。
• 自由支持型で低損失のマイクロディスクレゾネータを実現することで、薄膜LNにおける強力なオプトメカニカル相互作用を実現すること。
• 高Q光学レゾネータにおける機械的モード励振を用いた音響光変調の実証。

提案手法

• MEMS準拠のプロセスを用いて、35 µmの半径を有する薄膜リン酸ニッブ酸エステル（LN）マイクロディスクレゾネータをシリコン基板上にプロセスした。
• 基板由来の光学的および機械的損失を低減するため、リリースプロセスを採用して自由支持構造を形成した。
• 正確なナノプロセスにより散乱損失および放射損失を最小限に抑えることで、高い固有光学Qを達成した。
• 外部プローブを用いて56 MHzの径方向呼吸モードを励振し、オプトメカニカル結合を実現した。
• オプトメカニカル応答における機械的共鳴のライン幅を分析することで、機械的Qを測定した。
• オプトメカニカル相互作用を活用し、光学レゾネンスの変調により音響光変調を実証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 自由支持型薄膜リン酸ニッブ酸エステル（LN）マイクロディスクレゾネータは、高固有光学Qファクターを達成できるか？
• RQ2 自由支持型ジオメトリが薄膜LNにおけるオプトメカニカル結合をどの程度向上させるか？
• RQ3 機械的共鳴モードは、音響光変調のための光学モードに効果的に励振および結合可能か？
• RQ4 プロセスされたレゾネータ構造における径方向呼吸モードの機械的Qはどの程度か？
• RQ5 統合オプトメカニカル相互作用を用いて、装置が機能的な音響光変調を実証できるか？

主な発見

• 35 µmの半径を有する薄膜リン酸ニッブ酸エステル（LN）マイクロディスクレゾネータは、固有光学Qファクター（Q）484,000を達成した。
• 56 MHzの径方向呼吸モードにおいて、2,700の機械的Qを示し、低機械的損失を示した。
• 機械的モードを励振し、光学レゾネンスを変調することで、音響光変調が成功裏に実証された。
• 自由支持構造により、基板ダンピングの低減と機械的品質の向上により、強力なオプトメカニカル結合が実現された。
• 高い光学Qと機械的Qが併せ合わさり、高効率の電気光変調器および非線形光学への応用が可能であることを示した。
• MEMSベースのプロセスにより、幾何形状およびリリースの精密な制御が可能となり、高性能レゾネータに不可欠な要因となった。