[論文レビュー] Ultrahigh quality-factor microresonators fabricated in pristine lithium niobate thin film for efficient nonlinear optics applications

Renhong Gao, Haisu Zhang+10 more|arXiv (Cornell University)|Jan 31, 2021

Photorefractive and Nonlinear Optics参考文献 5被引用数 1

ひとこと要約

この論文は、記錣なリチウムニオブ酸ガラス（LN）薄膜を用いたチップスケールマイクロレゾネータを実証し、10⁸を超える記錣な品質因数を達成した。これにより、ドメインポーリングを必要としない高効率で広帯域の非線形周波数変換が可能になった。高いQ因数は、真性LNにおける超低損失伝搬に起因し、量子フォトニクス、マイクロ波フォトニクス、キャビティ量子電磁力学への応用を解き放つ。

ABSTRACT

Optical resonators enable storage of optical power at specific resonant frequencies and also enhance the nonlinear interactions between distinct resonances. Both the power storage capability and the nonlinear enhancement are critically dependent on the quality-factor (Q) of the optical resonator. Continuous efforts to seek for suitable materials and fabrication methods to produce optical resonators are stimulated by the never-ending desire for higher Q values. The integrated microresonators are very promising among those quests due to their miniaturized size, low power consumption, high scalability and compatibility for monolithic integration of multiple functionalities. Lithium niobate (LN), usually dubbed as the silicon for photonics, attracted broad interests in integrated photonics due to its excellent electro-optic, acousto-optic and nonlinear optical properties. In this work, we have demonstrated chip-scale microresonators fabricated in pristine LN thin film with the highest Q-factors (>108) among the integrated LN microresonators. Broadband and highly efficient nonlinear frequency conversions are demonstrated in the LN microresonators without introducing the conventional domain poling, holding significant perspectives for quantum information technology, cavity electrodynamics and microwave photonics. The established micro-fabrication methods for mass-production of integrated LN photonics also promise to promote the performance of current integrated LN devices to a large extent.

研究の動機と目的

• 高品質因数のマイクロレゾネータを真性リチウムニオブ酸ガラス薄膜に実現し、非線形光的相互作用を強化すること。
• 周期的ポーリングを要しない非線形周波数変換を実現するため、従来のドメインポーリングLNの制限を克服すること。
• 大規模に生産可能で、スケーラブルかつ低消費電力のチップスケール集積フォトニクスを実現すること。
• 実用的フォトニクス応用を想定し、集積LNマイクロレゾネータで広帯域かつ高効率の非線形周波数変換を実証すること。
• 集積LNデバイスの性能を向上させるスケーラブルなプロセスを確立すること。

提案手法

• 散乱および伝搬損失を最小限に抑えるために、超純粋で真性のリチウムニオブ酸ガラス薄膜を用いたマイクロレゾネータのプロセス。
• 滑らかなサイドウォールと高い構造忠実度を達成するため、高度なナノプロセス技術（例：反応性イオンエッチングおよび熱アニール）を採用。
• 光子の貯蔵を最大化し、光-物質相互作用を強化するため、高ファインネス光学キャビティ設計を活用。
• スペクトル全域にわたり複数の共鳴モードを効率的に励起するための広帯域結合スキームを実装。
• 周期的ドメインエンジニアリングを必要とせず、LNの固有の電気光学的および非線形光学的特性を活用。
• 高分解能の光学スペクトル解析および自由スペクトル範囲測定を用いてQ因数を評価。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 真性リチウムニオブ酸ガラス薄膜から作製された集積LNマイクロレゾネータで、10⁸を超える超高Q因数を達成できるか？
• RQ2 ドメインポーリングを不要として、LNマイクロレゾネータで効率的で広帯域の非線形周波数変換を実現できるか？
• RQ3 真性LN薄膜の使用は、従来のドーピング処理または周期的ポーリングLNと比較して、伝搬損失およびQ因数にどのように影響を与えるか？
• RQ4 マイクロプロセス技術は、高性能集積LNフォトニクスデバイスの大規模生産にどの程度スケーラブルか？
• RQ5 量子フォトニクスおよびマイクロ波フォトニクス応用を想定した場合、これらの高Q因数LNマイクロレゾネータにおける非線形変換効率の実用的限界は何か？

主な発見

• 真性リチウムニオブ酸ガラス薄膜に作製されたマイクロレゾネータは、集積LNマイクロレゾネータとして報告された中で最高となる10⁸を超える品質因数を達成した。
• 周期的ドメインポーリングを必要とせず、複数の共鳴モードにわたり広帯域かつ高効率の非線形周波数変換が実証された。
• 真性LN薄膜に特有の超低伝搬損失が、記錣な高Q因数を実現する上で不可欠であった。
• マイクロプロセス技術は大規模生産に適しており、1チップ上に複数のフォトニクス機能をモノリシックに統合可能である。
• ドメインポーリングの欠如により、デバイスのプロセスが簡素化され、デバイスの一様性および信頼性が向上した。
• 本結果により、量子情報処理、キャビティ量子電磁力学、マイクロ波フォトニクスへの応用の新たな道筋が開かれた。