[论文解读] High-quality lithium niobate photonic crystal nanocavities

Hanxiao Liang, Rui Luo+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 27, 2017

Photonic and Optical Devices参考文献 44被引用 3

一句话总结

该论文展示了基于钽酸锂（LiNbO₃）的光子晶体纳米梁谐振器，其光学品质因数（Q）高达1.09×10⁵——比以往的LN纳米腔高出100多倍——实现了极端光场限制，并实现了前所未有的非线性与光机械效应。高Q值与小模场体积共同导致光致折射调谐速率达约0.64 GHz/aJ，并揭示了光致折射效应的新颖抑制现象；而强光机械耦合则实现了对吉赫兹级纳米机械模式的探测，其f·Q乘积达1.47×10¹² Hz。

ABSTRACT

Lithium niobate (LN) exhibits unique material characteristics that have found many important applications. Scaling LN devices down to a nanoscopic scale can dramatically enhance light-matter interaction that would enable nonlinear and quantum photonic functionalities beyond the reach of conventional means. However, developing LN-based nanophotonic devices turns out to be nontrivial. Although significant efforts have been devoted in recent years, LN photonic crystal structures developed to date exhibit fairly low quality. Here we demonstrate LN photonic crystal nanobeam resonators with optical Q as high as 10^5, more than two orders of magnitude higher than other LN nanocavities reported to date. The high optical quality together with tight mode confinement leads to extremely strong nonlinear photorefractive effect, with a resonance tuning rate of 0.64 GHz/aJ, or equivalently 84 MHz/photon, three orders of magnitude greater than other LN resonators. In particular, we observed intriguing quenching of photorefraction that has never been reported before. The devices also exhibit strong optomechanical coupling with gigahertz nanomechanical mode with a significant f*Q product of 1.47*10^12 Hz. The demonstration of high-Q LN photonic crystal nanoresonators paves a crucial step towards LN nanophotonics that could integrate the outstanding material properties with versatile nanoscale device engineering for diverse intriguing functionalities.

研究动机与目标

• 为克服长期以来钽酸锂（LN）光子晶体纳米腔中光学品质因数（Q）偏低的挑战，该挑战限制了其在非线性与量子光子学中的应用。
• 开发一种基于LN的纳米光子学平台，以在纳米尺度上利用其独特的电光、非线性和压电特性。
• 通过优化设计与制造工艺，在LN纳米梁谐振器中实现高Q值与强光-物质耦合。
• 探索并表征LN纳米腔中的非线性光致折射效应与光机械耦合，以期在量子光学与传感领域实现潜在应用。

提出的方法

• 利用有限元方法模拟设计具有缺陷腔的光子晶体纳米梁结构，以优化禁带宽度与模场限制。
• 通过聚焦离子束铣削在体衬底钽酸锂上制备LN纳米梁谐振器，精确控制侧壁倾角与晶格周期性。
• 在梁长方向引入晶格常数梯度，以最小化辐射损耗并最大化辐射限制Q值。
• 通过激光光谱实验表征光学Q值，测量光学照射下共振波长的偏移，以探测光致折射效应。
• 利用边带光谱法测量光机械耦合，提取机械模频率、Q值及单光子耦合速率。
• 通过数值模拟机械模，将观测到的共振与弯曲振动模式及有效质量相关联。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过纳米加工与设计优化，在体衬底钽酸锂中实现高品质因数（Q > 10⁵）的光子晶体纳米腔？
• RQ2 LN纳米腔中的光致折射非线性程度如何？在强光激发下是否可观察到其饱和或抑制现象？
• RQ3 LN纳米腔中光学模场的强限制在多大程度上增强了光机械耦合？能否分辨出吉赫兹级机械模式？
• RQ4 空气阻尼对悬浮LN纳米梁中低频机械模的影响如何？能否识别出高Q值机械模？
• RQ5 能否利用LN中光学、机械与电学自由度之间的强耦合，实现多功能纳米光子器件？

主要发现

• 所制备的钽酸锂光子晶体纳米梁谐振器实现了高达1.09×10⁵的光学Q值，相比以往报道的LN纳米腔提升超过100倍。
• 测得的有效模场体积为~1.03(λ/n)³，表明光学模场具有强烈的空间限制。
• 观测到光致折射引起的共振波长调谐速率约为0.64 GHz/aJ，相当于约84 MHz/光子，比其他LN谐振器高出三个数量级。
• 器件在高光强下表现出新颖的光致折射效应抑制现象，该现象在以往的LN纳米光子系统中尚未报道。
• 观测到光机械耦合，11.18 MHz机械模的机械Q值高达6142，f·Q乘积达1.47×10¹² Hz，与最先进的LN微机械器件相当。
• 单光子光机械耦合速率|g₀|/(2π)达到71 kHz，表明光学腔与机械运动之间存在强相互作用，尽管并未专门针对光机械应用进行设计。