[论文解读] 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 1

一句话总结

该论文展示了在高质量铌酸锂（LN）薄膜上实现的芯片级微腔，其品质因数创下纪录，超过10⁸，无需周期性畴域极化即可实现高效宽带非线性频率转换。高Q值源于纯净LN中极低的传播损耗，从而为量子光子学、微波光子学以及腔量子电动力学等应用开辟了新途径。

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.

研究动机与目标

• 开发基于纯净铌酸锂薄膜的高品质因数微腔，以增强非线性光学相互作用。
• 克服传统周期性畴域极化LN的局限性，通过消除对周期性极化的需求来实现非线性频率转换。
• 实现可大规模生产的芯片级集成光子器件，具备高可扩展性与低功耗特性。
• 在集成LN微腔中实现宽带且高效的非线性频率转换，以支持实际光子学应用。
• 建立一种可扩展的制造工艺，从而提升集成LN器件的整体性能。

提出的方法

• 利用超纯、纯净的铌酸锂薄膜制造微腔，以最大限度降低散射与传播损耗。
• 采用先进的纳米加工技术（如反应离子束刻蚀与热退火）实现光滑侧壁与高结构保真度。
• 采用高精细度光学腔设计，以最大化光子存储能力并增强光与物质的相互作用。
• 实施宽带耦合方案，以高效激发光谱范围内多个共振模式。
• 利用LN的本征电光与非线性光学特性，无需周期性畴结构工程。
• 通过高分辨率光谱分析与自由光谱范围测量对品质因数进行表征。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在由纯净薄膜制造的集成铌酸锂微腔中实现超高品质因数（>10⁸）？
• RQ2 能否在不进行周期性畴域极化的前提下，实现在LN微腔中的高效宽带非线性频率转换？
• RQ3 与传统掺杂或周期性极化的LN相比，使用纯净LN薄膜如何影响传播损耗与品质因数？
• RQ4 该微加工工艺在多大程度上可实现大规模生产，以制造高性能集成LN光子器件？
• RQ5 在量子光子学与微波光子学应用中，这些高Q值LN微腔的非线性转换效率的实际极限是什么？

主要发现

• 所制备的纯净铌酸锂薄膜微腔品质因数超过10⁸，为目前报道的集成LN微腔中最高值。
• 在无需周期性畴域极化的前提下，成功实现了多个共振模式下的宽带且高效非线性频率转换。
• 纯净LN薄膜中极低的传播损耗是实现创纪录高Q值的关键因素。
• 该微加工工艺兼容大规模生产，并支持在单片芯片上实现多种光子功能的单片集成。
• 由于无需畴域极化，器件制造过程更简化，同时提升了器件的一致性与可靠性。
• 研究结果为量子信息处理、腔量子电动力学以及微波光子学等应用开辟了新途径。