[论文解读] Ultra-high-Q phononic resonators on-chip at cryogenic temperatures

Prashanta Kharel, Yiwen Chu+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2018

Acoustic Wave Resonator Technologies参考文献 2被引用 2

一句话总结

本文展示了在z-cut石英和x-cut硅上实现的芯片级共焦体声波谐振器，在低温下分别实现了2800万（12.7 GHz）和650万（37.8 GHz）的超高品质因数。器件采用微加工的平-凸结构以限制高频声子，并通过材料固有的光弹性耦合实现非侵入式激光光谱测量，尽管体积缩小了1000倍以上，其f·Q乘积仍与宏观谐振器相当。

ABSTRACT

Long-lived, high-frequency phonons are valuable for applications ranging from optomechanics to emerging quantum systems. For scientific as well as technological impact, we seek high-performance oscillators that offer a path towards chip-scale integration. Confocal bulk acoustic wave resonators have demonstrated an immense potential to support long-lived phonon modes in crystalline media at cryogenic temperatures. So far, these devices have been macroscopic with cm-scale dimensions. However, as we push these oscillators to high frequencies, we have an opportunity to radically reduce the footprint as a basis for classical and emerging quantum technologies. In this paper, we present novel design principles and simple fabrication techniques to create high performance chip-scale confocal bulk acoustic wave resonators in a wide array of crystalline materials. We tailor the acoustic modes of such resonators to efficiently couple to light, permitting us to perform a non-invasive laser-based phonon spectroscopy. Using this technique, we demonstrate an acoustic $Q$-factor of 28 million (6.5 million) for chip-scale resonators operating at 12.7 GHz (37.8 GHz) in crystalline $z$-cut quartz ($x$-cut silicon) at cryogenic temperatures.

研究动机与目标

• 在低温环境下开发适用于经典与量子应用的芯片级高性能声子谐振器。
• 通过最小化外部损耗，克服在微型化器件中实现超高品质因数的挑战。
• 通过晶体材料中工程化的光-声耦合，实现非侵入式激光声子光谱测量。
• 证明微加工谐振器的f·Q乘积可与宏观对应器件相媲美。
• 建立一种可扩展的制造平台，适用于多种晶体材料的高Q声子谐振器。

提出的方法

• 使用标准微加工技术，在硅芯片上设计并制造微米尺度的平-凸体声波（BAW）谐振器。
• 利用共焦几何结构在晶体基底（z-cut石英、x-cut硅）体内紧密限制纵向声子模式，最大限度减少表面和边缘损耗。
• 设计声学模式分布以最大化与高斯激光光束的重叠，实现高灵敏度光机械检测。
• 利用透明材料中的固有光弹性耦合，实现无需外部换能器的非侵入式激光声子光谱测量。
• 使用高斯光束理论建模声学模式，并推导关键参数，如光束腰半径（wo）、瑞利范围（x′R）和模式间距。
• 通过假设损耗源于夹持（clamping）效应，估算共振器直径外的能量分数，预测理论Q值极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可在低温下于芯片级BAW谐振器中实现超高品质因数声子模式？
• RQ2 在保持晶体材料中高Q值的前提下，微加工技术能在多大程度上减小器件尺寸？
• RQ3 如何利用非侵入式激光光谱测量表征紧凑型芯片谐振器中的GHz频段声子模式？
• RQ4 微加工谐振器中因夹持/支撑导致的损耗，其Q值的理论极限是多少？
• RQ5 微尺度谐振器的f·Q乘积能否与宏观BAW谐振器相匹配？

主要发现

• 作者在低温下实现了12.7 GHz声子模式在微加工z-cut石英谐振器中的Q值达2800万。
• 在x-cut硅谐振器中，37.8 GHz声子模式的Q值达到650万，证实了在更高频段的优异性能。
• 12.7 GHz石英谐振器的实测f·Q乘积达到3.5 × 10¹⁴，与宏观BAW谐振器的数值相当。
• 理论夹持损耗估算预测石英的Q值可达68亿，硅的Q值可达150亿，表明当前损耗主要由其他机制主导。
• 实测横向模式间距（154 kHz）与理论预测值155 kHz高度一致，验证了高斯模式模型的准确性。
• 通过光弹性耦合实现的非侵入式激光光谱测量，可实现对高频声子模式的精确表征，且扰动极小。