[论文解读] Free-standing high quality factor thin-film lithium niobate micro-photonic disk resonators

Renyuan Wang, Sunil A. Bhave|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2014

Mechanical and Optical Resonators参考文献 8被引用 11

一句话总结

本论文采用MEMS技术在硅基板上制备了自支撑的薄膜铌酸锂微盘谐振器，实现了高达484,000的本征光学品质因数（Q）。通过利用释放结构带来的光机械耦合，该器件在56 MHz径向呼吸模态激发下实现了声光调制，其机械Q值达到2,700。

ABSTRACT

Lithium Niobate (LN or just niobate) thin-film micro-photonic resonators have promising prospects in many applications including high efficiency electro-optic modulators, optomechanics and nonlinear optics. This paper presents free-standing thin-film lithium niobate photonic resonators on a silicon platform using MEMS fabrication technology. We fabricated a 35um radius niobate disk resonator that exhibits high intrinsic optical quality factor (Q) of 484,000. Exploiting the optomechanical interaction from the released free-standing structure and high optical Q, we were able to demonstrate acousto-optic modulation from these devices by exciting a 56MHz radial breathing mechanical mode (mechanical Q of 2700) using a probe.

研究动机与目标

• 开发基于薄膜铌酸锂的高品质因数光子谐振器，用于集成光子学应用。
• 通过基于MEMS的制造工艺，克服悬挂结构中光学与机械Q值受限的问题。
• 通过实现自支撑、低损耗的微盘谐振器，在薄膜铌酸锂中实现强光机械相互作用。
• 通过在高Q光学谐振器中激发机械模态，实现声光调制。

提出的方法

• 采用与MEMS兼容的工艺，在硅基板上制备了半径为35 µm的薄膜铌酸锂微盘谐振器。
• 通过释放工艺形成自支撑结构，最大限度降低基板引起的光学与机械损耗。
• 通过精确的纳米加工，最小化散射与辐射损耗，实现高本征光学Q值。
• 利用外部探针激发56 MHz的径向呼吸模态，实现光机械耦合。
• 通过分析光机械响应中机械共振的线宽，测量机械Q值。
• 利用光机械相互作用，通过调制光学共振，实现声光调制。

实验结果

研究问题

• RQ1 自支撑薄膜铌酸锂微盘谐振器能否实现高本征光学Q值？
• RQ2 自支撑结构在多大程度上增强了薄膜铌酸锂中的光机械耦合？
• RQ3 能否有效激发并耦合机械共振模态至光学模态，以实现声光调制？
• RQ4 所制备谐振器结构中径向呼吸模态的机械Q值是多少？
• RQ5 该器件能否通过集成光机械相互作用实现功能性的声光调制？

主要发现

• 所制备的半径为35 µm的薄膜铌酸锂微盘谐振器实现了484,000的本征光学品质因数（Q）。
• 该器件在56 MHz径向呼吸模态下表现出2,700的机械Q值，表明机械损耗较低。
• 通过激发机械模态并调制光学共振，成功实现了声光调制。
• 自支撑结构由于降低了基板阻尼并增强了机械品质，实现了强光机械耦合。
• 高光学Q值与高机械Q值共同支持其在高效电光调制器与非线性光学中的应用。
• 基于MEMS的制造工艺实现了对几何形状与释放过程的精确控制，对高性能谐振器至关重要。