[論文レビュー] High-quality lithium niobate photonic crystal nanocavities

Hanxiao Liang, Rui Luo+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 44被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、リチウムニオブート（LN）フォトニクス結晶ナノビーム共振器において、光学的Qファクター（Q）が最大1.09×10⁵に達することを示した。これは、従来のLNナノキャビティの100倍以上であり、極めて強い光の閉じ込めを実現し、前例のない非線形効果およびオプトメカニカル効果を可能にした。高いQと小さなモード体積により、光誘導屈折率変化の調整速度が約0.64 GHz/aJに達し、光誘導屈折率効果の新規な抑制（クエンチング）が観測された。一方、強いオプトメカニカル結合により、ギガヘルツ領域のナノメカニカルモードが解像可能であり、f·Q積が1.47×10¹² Hzに達した。

ABSTRACT

Lithium niobate (LN) exhibits unique material characteristics that have found many important applications. Scaling LN devices down to a nanoscopic scale can dramatically enhance light-matter interaction that would enable nonlinear and quantum photonic functionalities beyond the reach of conventional means. However, developing LN-based nanophotonic devices turns out to be nontrivial. Although significant efforts have been devoted in recent years, LN photonic crystal structures developed to date exhibit fairly low quality. Here we demonstrate LN photonic crystal nanobeam resonators with optical Q as high as 10^5, more than two orders of magnitude higher than other LN nanocavities reported to date. The high optical quality together with tight mode confinement leads to extremely strong nonlinear photorefractive effect, with a resonance tuning rate of 0.64 GHz/aJ, or equivalently 84 MHz/photon, three orders of magnitude greater than other LN resonators. In particular, we observed intriguing quenching of photorefraction that has never been reported before. The devices also exhibit strong optomechanical coupling with gigahertz nanomechanical mode with a significant f*Q product of 1.47*10^12 Hz. The demonstration of high-Q LN photonic crystal nanoresonators paves a crucial step towards LN nanophotonics that could integrate the outstanding material properties with versatile nanoscale device engineering for diverse intriguing functionalities.

研究の動機と目的

• リチウムニオブート（LN）フォトニクス結晶ナノキャビティにおける長年の課題である低光学的Qファクター（Q）を克服し、非線形および量子フォトニクス分野への応用を制限する要因を解消すること。
• ナノスケールでの電気光学的・非線形的・圧電的特性を活かしたLNを基盤とするナノフォトニクスプラットフォームの開発。
• 最適化された設計とプロセスにより、LNナノビーム共振器における高Qおよび強い光-物質結合を実現すること。
• 量子オプティクスおよびセンシング分野への応用を想定し、LNナノキャビティにおける非線形光誘導屈折率効果およびオプトメカニカル結合の探索と特性評価。

提案手法

• 有限要素法を用いたシミュレーションにより、バンドギャップとモード閉じ込めを最適化したフォトニクス結晶ナノビーム構造と欠陥キャビティの設計。
• バルクリチウムニオブート基板上での集束イオンビームリーマーを用いたLNナノビーム共振器のプロセスで、側面の傾き角および格子周期の精密制御。
• 放射損失を最小限に抑えて放射限界Qファクターを最大化するため、ビームに沿って格子定数の勾配を導入。
• レーザー分光法を用いた光学的Qの実験的評価。光照射下での共鳴エネルギーのシフトを測定し、光誘導屈折率効果をプローブ。
• サイドバンド分光法を用いたオプトメカニカル結合の測定により、機械的モード周波数、Qファクター、および1光子結合率を抽出。
• 機械的モードの数値シミュレーションにより、観測された共鳴と曲げ振動モードおよび有効質量との相関を検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バルクリチウムニオブートにおいて、ナノプロセスと設計最適化を用いて高品質因子（Q > 10⁵）のフォトニクス結晶ナノキャビティを実現できるか？
• RQ2 LNナノキャビティにおける光誘導屈折率非線形性の程度は何か？また、強い光励起条件下で飽和またはクエンチングが観測可能か？
• RQ3 LNナノキャビティにおける光学モード閉じ込めの強さが、オプトメカニカル結合をどの程度強化するか？また、ギガヘルツ領域の機械的モードを解像可能か？
• RQ4 空気のダミングが、アンダーレイズドLNナノビームにおける低周波数機械的モードに与える影響は何か？また、高Qの機械的モードを同定できるか？
• RQ5 LNにおける光学的・機械的・電気的自由度の強い結合を活用して、多機能ナノフォトニクスデバイスを実現可能か？

主な発見

• 実装されたリチウムニオブートフォトニクス結晶ナノビーム共振器は、最大で1.09×10⁵の光学的Qファクターを達成し、従来報告されたLNナノキャビティと比較して100倍以上の向上を示した。
• 有効モード体積は約1.03(λ/n)³と測定され、光学モードの強い空間的閉じ込めを示した。
• 光誘導屈折率効果に起因する共鳴周波数の調整速度として約0.64 GHz/aJが観測され、1光子あたり約84 MHzに相当し、他のLN共振器と比較して3桁高い。
• 高光強度下で光誘導屈折率効果の新規なクエンチングが観測され、これはLNナノフォトニクス系では初めての報告である。
• オプトメカニカル結合が観測され、11.18 MHzの機械的モードで高Q（6142）を示し、f·Q積が1.47×10¹² Hzに達した。これは、最先端のLNマイクロメカニカルデバイスと同等の性能であった。
• 1光子あたりのオプトメカニカル結合率|g₀|/(2π)は71 kHzに達し、非線形オプトメカニカル応用を目的とした特別な設計がなくても、光学キャビティと機械的運動との強い相互作用が確認された。