[논문 리뷰] High-Q Lithium Niobate Microcavities and Their Applications

Cheng Wang, Mian Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 16.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 89인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 박막 리튬니오브산염(TFLN) 기술을 통해 개발된 고품질인자(Q)를 지닌 리튬니오브산염(LN) 마이크로캐비티의 발전을 검토하며, 10^7을 초과하는 초고품질인자(Q)를 달성함을 보여준다. 이 작업은 LN의 큰 비선형 계수를 활용한 설계 원칙, 고도로 발전된 제조 기술, 비선형 광학, 전기광학, 양자 광학 분야의 응용을 강조한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 박막 리튬니오브산염 기술을 통해 리튬니오브산염 광학 장치의 미니어처라이제이션을 촉진하기 위해.
• 빛-물질 상호작용을 향상시키기 위해 마이크로캐비티에서 초고품질인자(Q > 10^7)를 달성하기 위해.
• 통합 광학 플랫폼에서 리튬니오브산염의 큰 비선형 및 전기광학 계수를 활용하기 위해.
• 리튬니오브산염 마이크로캐비티를 활용한 고전적 및 양자 광학 분야의 현재 및 신규 응용을 검토하기 위해.
• 고성능 리튬니오브산염 장치를 위한 설계 원칙과 제조 방법을 체계화하기 위해.

제안 방법

• 나노스케일 광학 장치 통합을 가능하게 하는 박막 리튬니오브산염(TFLN)의 활용.
• 정밀한 마이크로캐비티 패턴 형성에 위해 포토리소그래피 및 반응성 이온 에칭의 적용.
• 리튬니오브산염에서 가장 큰 비선형 계수(r33)와의 최대 겹침을 확보하기 위해 마이크로캐비티를 설계.
• 저손실 웨이브가이드 구조와 고정밀 에칭을 구현하여 광학 전파 손실을 최소화.
• 기판 유도 방사 및 산산 손실을 감소시키기 위해 스텐실 막대 또는 접합 기반 기판 기법의 적용.
• 품질인자(Q) 및 장치 성능 측정을 위한 고급 특성 분석 기법의 적용.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 박막 리튬니오브산염은 마이크로캐비티에서 초고품질인자(Q)를 달성하기 위해 어떻게 설계될 수 있는가?
• RQ2 통합 장치에서 리튬니오브산염의 가장 큰 비선형 계수를 최대한 활용하기 위한 설계 전략은 무엇인가?
• RQ3 리튬니오브산염 마이크로캐비티에서 저전파 손실과 고품질인자를 실현하는 데 기여하는 제조 기술은 무엇인가?
• RQ4 비선형 및 전기광학 응용 분야에서 리튬니오브산염 마이크로캐비티의 핵심 성능 지표는 무엇인가?
• RQ5 고품질인자(Q)를 지닌 리튬니오브산염 마이크로캐비티의 가장 유망한 현재 및 미래 응용은 무엇인가?

주요 결과

• 박막 리튬니오브산염 플랫폼을 활용하여 Q 인자가 10^7를 초과하는 고품질인자 리튬니오브산염 마이크로캐비티가 구현되었다.
• 박막 리튬니오브산염의 통합은 강력한 빛의 구속 및 향상된 비선형 상호작용을 가능하게 한다.
• 반응성 이온 에칭 및 정밀 패터닝과 같은 제조 기술은 광학 전파 손실을 크게 감소시킨다.
• r33 비선형 계수와의 정렬을 고려한 마이크로캐비티 설계는 비선형 효율을 극대화한다.
• 고품질인자 리튬니오브산염 마이크로캐비티는 주파수 커브 생성 및 양자 광학 응용 분야에서 큰 잠재력을 보인다.
• 이 기술은 고전적 및 양자 광학 분야에서 소형, 저전력, 고성능 광학 장치를 가능하게 한다.