[논문 리뷰] Free-standing high quality factor thin-film lithium niobate micro-photonic disk resonators

Renyuan Wang, Sunil A. Bhave|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 22.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 8인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 MEMS 기술을 사용하여 실리콘 기반 상에서 자유지지 얇은 필름 리튬니오브산탄(스틸) 마이크로 광학 디스크 공진기를 제작하여 고내재 광학 품질 인자(Q) 484,000을 달성한다. 해방된 구조의 옵티모메커니컬 결합을 활용하여 56 MHz의 축방향 진동 모드를 자극함으로써 옵티모메커니컬 조절을 실현하였다. 기계적 Q는 2,700을 기록하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 통합 광학 응용을 위한 얇은 필름 리튬니오브산탄 기반 고품질 인자 공진기를 개발하기 위해.
• MEMS 기반 제조를 통해 매립된 구조에서의 광학적 및 기계적 Q 제한을 극복하기 위해.
• 자유지지 구조와 낮은 손실을 가진 마이크로디스크 공진기를 실현함으로써 얇은 필름 LN에서 강한 옵티모메커니컬 상호작용을 가능하게 하기 위해.
• 고Q 광학 공진기에서 기계 모드를 자극하여 옵티모메커니컬 조절을 실증하기 위해.

제안 방법

• MEMS 호환 공정을 사용하여 실리콘 기반 상에 35 µm 반경의 얇은 필름 리튬니오브산탄 마이크로디스크 공진기를 제작하였다.
• 기판 유도 손실을 최소화하기 위해 해방 공정을 적용하여 자유지지 구조를 구현하였다.
• 정밀한 나노제조를 통해 산산이 흩어지는 손실과 복사 손실을 최소화함으로써 고내재 광학 Q를 달성하였다.
• 외부 프로브를 사용하여 56 MHz의 축방향 진동 기계 모드를 자극함으로써 옵티모메커니컬 결합을 실현하였다.
• 옵티모메커니컬 응답에서 기계 공진선의 폭을 분석하여 기계적 Q를 측정하였다.
• 옵티모메커니컬 상호작용을 활용하여 광학 공진의 변조를 통해 옵티모메커니컬 조절을 실증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 자유지지 얇은 필름 리튬니오브산탄 마이크로디스크 공진기는 고내재 광학 Q 인자를 달성할 수 있는가?
• RQ2 자유지지 기하구조는 얇은 필름 LN에서 옵티모메커니컬 결합을 얼마나 향상시키는가?
• RQ3 기계 공진 모드는 효과적으로 자극되고 광학 모드와 결합되어 옵티모메커니컬 조절에 활용될 수 있는가?
• RQ4 제작된 공진기에서 축방향 진동 모드의 기계적 Q는 얼마인가?
• RQ5 통합 옵티모메커니컬 상호작용을 사용하여 기능적 옵티모메커니컬 조절을 실현할 수 있는가?

주요 결과

• 제작된 35 µm 반경의 얇은 필름 리튬니오브산탄 마이크로디스크 공진기는 내재 광학 품질 인자(Q) 484,000을 달성하였다.
• 56 MHz의 축방향 진동 모드에서 기계적 Q가 2,700으로 나타나 기계적 손실이 낮음을 시사하였다.
• 기계 모드를 자극하고 광학 공진을 변조함으로써 옵티모메커니컬 조절이 성공적으로 실현되었다.
• 자유지지 구조는 기판 감쇠를 감소시키고 기계적 품질을 향상시켜 강한 옵티모메커니컬 결합을 가능하게 하였다.
• 고내재 광학 Q와 기계적 Q가 함께 응용 분야에 기여할 수 있으며, 고효율 전기광학 조절기 및 비선형 광학에 적합하다.
• MEMS 기반 제조 공정은 기하구조 및 해방 제어에 있어 정밀성을 확보하여 고성능 공진기 구현에 필수적이다.