[论文解读] High-Q Lithium Niobate Microcavities and Their Applications

Cheng Wang, Mian Zhang+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 16, 2020

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 89被引用 6

一句话总结

本文综述了基于薄膜铌酸锂（TFLN）技术实现的高品质因数（高-Q）铌酸锂（LN）微腔的发展，展示了超过10^7的超高品质因数。研究强调了利用LN大非线性系数的设计原则、先进制造工艺，以及在非线性光学、电光光学和量子光子学中的应用。

ABSTRACT

Lithium niobate (LN) is an excellent nonlinear optical and electro-optic material that has found many applications in classical nonlinear optics, optical fiber communications and quantum photonics. Here we review the recent development of thin-film LN technology that has allowed the miniaturization of LN photonic devices and microcavities with ultrahigh quality factors. We discuss the design principle of LN devices that makes use of the largest nonlinear coefficients, various device fabrication approaches and resulting device performances, and the current and potential applications of LN microcavities.

研究动机与目标

• 通过薄膜技术推动铌酸锂光子器件的微型化。
• 在LN微腔中实现超过10^7的超高品质因数（Q > 10^7），以增强光与物质的相互作用。
• 在集成光子平台中利用铌酸锂的大非线性和电光系数。
• 综述基于LN微腔在经典与量子光子学中的当前与新兴应用。
• 系统化高性能量子器件的设计原则与制造方法。

提出的方法

• 利用薄膜铌酸锂（TFLN）实现纳米尺度光子器件的集成。
• 采用光刻与反应离子束刻蚀技术实现微腔结构的精确图案化。
• 设计微腔以最大化与LN中最大非线性系数（如r33）的重叠。
• 实现低损耗波导结构与高精度刻蚀，以最小化光传输损耗。
• 采用悬空膜或键合衬底技术，降低衬底引起的辐射与散射损耗。
• 应用先进表征技术测量品质因数与器件性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何通过薄膜铌酸锂工程实现微腔中超高品质因数？
• RQ2 何种设计策略可最大化集成器件中铌酸锂最大非线性系数的利用？
• RQ3 何种制造技术可实现LN微腔中低传播损耗与高Q值？
• RQ4 在非线性和电光应用中，LN微腔的关键性能指标是什么？
• RQ5 高-Q LN微腔最具前景的当前与未来应用有哪些？

主要发现

• 基于薄膜LN平台，已实现Q因子超过10^7的高-Q铌酸锂微腔。
• 薄膜LN的集成可实现强光限制与增强的非线性相互作用。
• 反应离子束刻蚀与精确图案化等制造技术显著降低了光学传播损耗。
• 通过设计使微腔与r33非线性系数对齐，可最大化非线性效率。
• 高-Q LN微腔在频率梳生成与量子光子学应用中展现出巨大潜力。
• 该技术可实现紧凑、低功耗、高性能的光子器件，适用于经典与量子光学。