[論文レビュー] High-Q Lithium Niobate Microcavities and Their Applications

Cheng Wang, Mian Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 89被引用数 6

ひとこと要約

この論文は、薄膜リン酸リチウム（TFLN）技術を用いて実現された高品質因数（高Q）リン酸リチウム（LN）マイクロキャビティの開発をレビューし、10^7を超える超高Q因子を達成している。本研究では、LNの大きな非線形係数を活用する設計原則、高度なプロセシング技術、および非線形光工学、電気光工学、量子フォトニクス分野への応用が強調されている。

ABSTRACT

Lithium niobate (LN) is an excellent nonlinear optical and electro-optic material that has found many applications in classical nonlinear optics, optical fiber communications and quantum photonics. Here we review the recent development of thin-film LN technology that has allowed the miniaturization of LN photonic devices and microcavities with ultrahigh quality factors. We discuss the design principle of LN devices that makes use of the largest nonlinear coefficients, various device fabrication approaches and resulting device performances, and the current and potential applications of LN microcavities.

研究の動機と目的

• 薄膜LN技術を用いてリチウムニオブートのフォトニクスデバイスの小型化を推進すること。
• LNマイクロキャビティにおける超高Q因子（Q > 10^7）を達成し、光-物質相互作用を強化すること。
• 統合フォトニクスプラットフォームにおいてリチウムニオブートの大きな非線形および電気光係数を活用すること。
• LNマイクロキャビティを用いた古典的および量子フォトニクス分野における現在および将来の応用をレビューすること。
• 高性能LNデバイスのための設計原則およびプロセシング手法を体系化すること。

提案手法

• ナノスケールフォトニクスデバイス統合を可能にする薄膜リチウムニオブート（TFLN）の活用。
• 正確なマイクロキャビティパターン形成のためのフォトレジスト加工および反応性イオンエッチングの採用。
• LNにおける最大の非線形係数（例：r33）と重なるようにマイクロキャビティを設計。
• 低損失波ガイド構造および高精度エッチングを実装し、光伝送損失を最小限に抑える。
• 基板由来の放射および散乱損失を低減するため、スパナード膜またはボンデッド基板技術の採用。
• Q因子およびデバイス性能を測定するための高度な特性評価技術の応用。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 薄膜リチウムニオブートは、いかにマイクロキャビティで超高Q因子を達成するために設計されるか？
• RQ2 統合デバイスにおいて、リチウムニオブートの最大非線形係数をいかに最適化して活用するか？
• RQ3 LNマイクロキャビティで低伝送損失および高Qを実現するための主なプロセシング技術は何か？
• RQ4 非線形および電気光応用におけるLNマイクロキャビティの主要性能指標は何か？
• RQ5 高Q LNマイクロキャビティの現在および将来の最も有望な応用分野は何か？

主な発見

• 薄膜LNプラットフォームを用いて、Q因子が10^7を超える高Qリン酸リチウムマイクロキャビティが実現された。
• 薄膜LNの統合により、強い光閉じ込めおよび強化された非線形相互作用が可能になった。
• 反応性イオンエッチングや正確なパターン形成などのプロセシング技術が、光伝送損失を顕著に低減した。
• r33非線形係数と一致するようにマイクロキャビティを設計することで、非線形効率が最大化された。
• 高Q LNマイクロキャビティは、周波数コンブ生成および量子フォトニクス分野への応用において大きな可能性を示した。
• 本技術により、古典的および量子光工学に適したコンact、低消費電力、高性能フォトニクスデバイスが実現可能になった。