[논문 리뷰] Ultrahigh quality-factor microresonators fabricated in pristine lithium niobate thin film for efficient nonlinear optics applications

Renhong Gao, Haisu Zhang외 10명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 31.

Photorefractive and Nonlinear Optics참고 문헌 5인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 도메인 폴링이 필요 없는 순수 리튬니오브산나이트(LN) 투명 박막에서 기록적인 품질 인자(10⁸ 초과)를 갖는 칩스케일 마이크로레지온레이터를 구현하여, 비선형 주파수 변환을 매우 효율적으로 수행할 수 있음을 보여준다. 높은 Q-인자는 순수 LN에서 초저항 손실이 발생함으로써 유도되며, 이는 양자 광학, 마이크로파 광학 및 캐비티 양자전자역학 분야의 응용을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 향상된 비선형 광학 상호작용을 위해 순수 리튬니오브산나이트 투명 박막에서 고품질 인자 마이크로레지온레이터를 개발하기 위해.
• 기존의 도메인 폴링된 LN의 한계를 극복하기 위해 주기적 폴링이 필요 없이 비선형 주파수 변환을 달성하기 위해.
• 고규모 생산이 가능하고 확장성이 높으며 낮은 전력 소모를 갖는 칩스케일 통합 광학을 실현하기 위해.
• 실용적인 광학 응용을 위해 통합 리튬니오브산나이트 마이크로레지온레이터에서 광역 및 고효율 비선형 주파수 변환을 구현하기 위해.
• 통합 리튬니오브산나이트 장치의 성능을 향상시키는 가용성 있는 제조 공정을 구축하기 위해.

제안 방법

• 산란과 전파 손실을 최소화하기 위해 초순도의 순수 리튬니오브산나이트 투명 박막을 사용하여 마이크로레지온레이터를 제조하기 위해.
• 매끄러운 측면과 높은 구조 정밀도를 달성하기 위해 고급 나노제조 기술(예: 반응성 이온 에칭 및 열처리)을 적용하기 위해.
• 광자의 저장을 극대화하고 빛-물질 상호작용을 향상시키기 위해 고정밀 광학 캐비티 설계를 활용하기 위해.
• 스펙트럼 전역에서 다수의 공진 모드를 효율적으로 자극하기 위해 광역 커플링 기법을 구현하기 위해.
• 주기적 도메인 공학이 필요 없이 LN의 내재된 전기광학적 및 비선형 광학적 성질을 활용하기 위해.
• 고해상도 광스펙트럼 분석 및 자유스펙트럼역측정을 통해 Q-인수를 특성화하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 순수 투명 박막으로 제조된 통합 리튬니오브산나이트 마이크로레지온레이터에서 초고품질 인자(>10⁸)를 달성할 수 있는가?
• RQ2 도메인 폴링 없이도 리튬니오브산나이트 마이크로레지온레이터에서 광역 및 고효율 비선형 주파수 변환을 실현할 수 있는가?
• RQ3 기존의 도핑 또는 주기적 폴링된 리튬니오브산나이트와 비교해 순수 리튬니오브산나이트 투명 박막의 사용이 전파 손실과 Q-인수에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이 마이크로제조 공정이 고성능 통합 리튬니오브산나이트 광학 장치의 대량 생산에 얼마나 확장 가능한가?
• RQ5 이러한 고Q 리튬니오브산나이트 마이크로레지온레이터에서 비선형 변환 효율의 실용적 한계는 무엇이며, 양자 및 마이크로파 광학 분야의 응용에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 순수 리튬니오브산나이트 투명 박막에서 제조된 마이크로레지온레이터는 기존에 보고된 바 중에서 가장 높은 수준인 10⁸ 초과의 품질 인자를 달성하였다.
• 주기적 도메인 폴링이 필요 없이도 여러 공진 모드를 통해 광역 및 고효율 비선형 주파수 변환이 성공적으로 구현되었다.
• 순수 리튬니오브산나이트 투명 박막에서의 초저항 전파 손실이 기록적인 고Q-인자를 가능하게 하는 데 핵심적인 역할을 하였다.
• 마이크로제조 공정은 대량 생산에 적합하며, 단일 칩에 다수의 광학 기능을 단일체로 통합하는 데 유용하다.
• 도메인 폴링의 부재는 장치 제조를 단순화시키고, 장치의 균일성과 신뢰성을 향상시켰다.
• 결과적으로 이는 양자 정보 처리, 캐비티 양자전자역학 및 마이크로파 광학 분야의 새로운 응용 가능성을 열어주었다.