[논문 리뷰] High-quality lithium niobate photonic crystal nanocavities

Hanxiao Liang, Rui Luo외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 27.

Photonic and Optical Devices참고 문헌 44인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 리튬 niobate 광 결정 나노빔 공진기에서 최대 1.09×10⁵의 광학 품질 인자(Q)를 달성함으로써 이전의 LN 나노공진기보다 100배 이상 높은 Q를 실현하여 극한의 빛 봉쇄를 가능하게 하며, 예상치 못한 비선형 및 옵토기계 효과를 유도한다. 높은 Q와 작은 모드 부피는 약 0.64 GHz/aJ의 광학적 포토프레지스티브 조정 속도를 유도하며, 새로운 형태의 포토프레지스티브 억제 현상을 드러내며, 강한 옵토기계 결합은 기가헤르츠 수준의 나노기계 모드를 f·Q 곱 1.47×10¹² Hz로 해상도를 확보한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 리튬 니오브산(LN) 광 결정 나노공진기에서 오랫동안 지속된 낮은 광학 품질 인자(Q) 문제를 해결함으로써 비선형 및 양자 광학 분야에서의 응용을 제한하는 요인를 극복하고자 한다.
• 나노스케일에서의 고유한 전기광학, 비선형 및 압전 성질을 활용한 LN 기반 나노광학 플랫폼을 개발하고자 한다.
• 최적화된 설계 및 제작을 통해 LN 나노빔 공진기에서 고Q 및 강한 빛-물질 봉쇄를 달성하고자 한다.
• 양자 광학 및 센서 응용을 위한 잠재적 응용을 탐색하고, 비선형 포토프레지스티브 효과 및 옵토기계 결합을 특성화하고자 한다.

제안 방법

• 유한요소법 시뮬레이션을 활용해 밴드 갭과 모드 봉쇄를 최적화한 결함 공진기 포함 광 결정 나노빔 구조의 설계.
• 버럭 리튬 니오브산 기판 위에서 집중 이온 비드 연마를 통해 LN 나노빔 공진기를 제작하며, 측면면 기울기와 격자 주기성의 정밀 제어를 수행.
• 빔을 따라 격자 상수의 기울기를 적용하여 복사 손실을 최소화하고 복사 제한 Q 인자를 극대화.
• 레이저 스펙트로스코피를 사용해 실험적으로 광학 Q를 특성화하고, 광학 조명 하에서 공진선 이동을 측정하여 포토프레지스티브 효과를 탐지.
• 사이드밴드 스펙트로스코피를 활용해 옵토기계 결합을 측정하고, 기계 모드 주파수, Q 인자 및 단일 광자 결합 속도를 추출.
• 기계 모드의 수치 시뮬레이션을 수행하여 관측된 공진선과 굽힘 진동 패tern 및 유효 질량 간의 상관관계를 분석.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 버럭 리튬 니오브산에서 나노공정 및 설계 최적화를 통해 고품질 인자(Q > 10⁵)를 갖는 광 결정 나노공진기를 달성할 수 있는가?
• RQ2 LN 나노공진기에서 포토프레지스티브 비선형성의 정도는 어떠한가? 강한 광학 조명 하에서 포화 또는 억제 현상이 관찰될 수 있는가?
• RQ3 LN 나노공진기에서의 광학 모드 봉쇄는 옵토기계 결합을 얼마나 향상시키는가? 기가헤르츠 수준의 기계 모드를 해상도를 확보할 수 있는가?
• RQ4 공기 저항은 스퍼스된 LN 나노빔의 저주파 기계 모드에 어떤 영향을 미치는가? 고Q 기계 모드를 식별할 수 있는가?
• RQ5 LN에서의 광학, 기계 및 전기 자유도 간의 강한 결합을 다기능 나노광학 장치에 활용할 수 있는가?

주요 결과

• 제작된 리튬 니오브산 광 결정 나노빔 공진기는 최대 1.09×10⁵의 광학 Q 인자를 달성하여 이전에 보고된 LN 나노공진기보다 100배 이상 향상된 성능을 보였다.
• 효과적인 모드 부피는 약 1.03(λ/n)³로 측정되어 광학 모드의 강한 공간적 봉쇄를 나타낸다.
• 약 0.64 GHz/aJ의 포토프레지스티브 유도 공진선 조정 속도가 관측되었으며, 이는 약 84 MHz/광자에 해당하며 다른 LN 공진기보다 약 3개의 주기 높은 수준이다.
• 고강도 광학 조명 하에서 포토프레지스티브 효과의 새로운 억제 현상이 관측되었으며, 이는 이전에 보고된 바 없는 LN 나노광학 시스템에서의 신현상이다.
• 11.18 MHz의 기계 모드에서 고기계 Q 6142 및 f·Q 곱 1.47×10¹² Hz를 기록한 옵토기계 결합이 관측되었으며, 이는 최신의 LN 마이크로기계 장치 수준과 유사한 성능을 보였다.
• 단일 광자 옵토기계 결합 속도 |g₀|/(2π)는 71 kHz에 도달하여, 옵토기계 응용을 위한 특별한 설계 없이도 광학 공진기와 기계 운동 간의 강한 상호작용을 나타낸다.