[论文解读] Evolutionarily optimized ultrahigh-Q photonic crystal nanocavity

Ulagalandha Perumal Dharanipathy, Momchil Minkov+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 5, 2013

Photonic Crystals and Applications被引用 2

一句话总结

本文提出了一种在硅膜上通过进化优化设计的光子晶体纳米腔，其在1.59 µm波长下测得的Q因子达到400,000，理论模场体积为0.34(λ/n)³，因此具有适合集成光子电路的高Q/V比。由于强光限制和非线性效应，该器件表现出超低阈值的光学双稳态特性。

ABSTRACT

We fabricate and experimentally characterize a $H0$ photonic crystal slab nanocavity with a design optimized for maximal quality factor, $Q = 1.7$ million. The cavity, fabricated from a silicon slab, has a resonant mode at $\lambda = 1.59 \mathrm{\mu m}$ and a measured $Q$-factor of $400,000$. It displays nonlinear effects, including high-contrast optical bistability, at a threshold power among the lowest ever reported for a silicon device. With a theoretical modal volume as small as $V = 0.34(\lambda/n)^3$, this cavity ranks among those with the highest $Q/V$ ratios ever demonstrated, while having a small footprint suited for integration in photonic circuits.

研究动机与目标

• 设计并制造具有最大品质因数（Q）的光子晶体纳米腔，以增强光与物质的相互作用。
• 通过在保持高Q的同时最小化模场体积，实现高Q/V比，从而实现强光学限制。
• 在基于硅的平台上展示非线性光学效应，例如在极低功率阈值下实现高对比度光学双稳态。
• 通过紧凑的尺寸和可扩展的制造工艺，实现超高品质因数纳米腔在光子集成电路中的集成。

提出的方法

• 采用进化算法优化光子晶体膜的几何结构，以实现最大Q因子。
• 从硅膜中制造优化后的纳米腔结构，以实现高折射率对比度和强光学限制。
• 利用近场扫描光学显微镜或等效技术测量光学响应，以确定Q因子和共振波长。
• 通过分析输入-输出透射曲线表征非线性效应，识别光学双稳态和阈值功率。
• 通过电磁模场仿真计算理论模场体积V，以确定Q/V比。
• 通过在λ = 1.59 µm处的实验测量验证设计的Q因子和非线性行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过光子晶体几何结构的进化优化，在硅基材料中实现Q因子超过100万的纳米腔？
• RQ2 在几何结构优化的硅基纳米腔中，可实现的Q因子和模场体积是多少？
• RQ3 在优化后的纳米腔中，光学双稳态在何种输入功率阈值下开始出现？
• RQ4 所制造器件的Q/V比与其他最先进的纳米腔相比如何？
• RQ5 由于高Q和小V，该器件是否能以极低功率支持强烈的非线性效应？

主要发现

• 所制造的纳米腔在共振波长1.59 µm处实现了400,000的实测Q因子，表现出优异的光学品质。
• 理论模场体积计算为0.34(λ/n)³，表明光学模式具有强烈的空间限制。
• 该器件在硅基器件中实现了目前已报道的最低阈值功率之一的高对比度光学双稳态。
• 该纳米腔的Q/V比位居迄今报道的最高水平，表明其具有卓越的光限制和存储能力。
• 该腔体的紧凑尺寸使其适合集成于光子集成电路中。
• 实验结果验证了进化优化在设计高性能纳米光子器件方面的有效性。