[论文解读] Ultra-high-Q UV microring resonators based on single-crystalline AlN platform

Xianwen Liu, Alexander W. Bruch+7 more|arXiv (Cornell University)|Jan 1, 2018

GaN-based semiconductor devices and materials参考文献 27被引用 32

一句话总结

该论文展示了在单晶氮化铝（AlN）中实现的超高品质因子（Q因子）微环谐振器，适用于紫外（UV）波段，在390 nm波长下实现了2.1 × 10⁵的记录性品质因子，光学损耗约为8 dB/cm。低损耗的AlN波导实现了与AlGaN发光器和探测器兼容的集成式紫外光子电路，支持片上紫外光谱分析、非线性光学以及量子信息处理等应用。

ABSTRACT

Development of low-loss photonic components in the ultraviolet (UV) band will open new prospects for classical and quantum optics. Compared with other integrated platforms, aluminum nitride (AlN) is particularly attractive as it features an enormous bandgap of ~6.2 eV and intrinsic χ(2) and χ(3) susceptibilities. In this work, we demonstrate a record quality factor of 2.1 × 10⁵ (optical loss ~ 8 dB/cm) at 390 nm based on single-crystalline AlN microrings. The low-loss AlN UV waveguide represents a significant milestone toward UV photonic integrated circuits as it features full compatibility for future incorporation of AlGaN-based UV emitters and receivers. On-chip UV spectroscopy, nonlinear optics and quantum information processing can also be envisioned.

研究动机与目标

• 开发适用于紫外（UV）波段的低损耗光子器件。
• 解决紫外集成光子学中高光学损耗的挑战。
• 在单晶AlN平台上展示适用于紫外应用的高Q因子（品质因子）微环谐振器。
• 实现与基于AlGaN的紫外发光器和探测器集成，用于片上光子系统。
• 为片上紫外光谱分析、非线性光学以及量子信息处理开辟新途径。

提出的方法

• 在蓝宝石衬底上外延生长单晶AlN薄膜，以最小化散射和传播损耗。
• 设计并制造在390 nm波长下具有高Q因子的微环谐振器。
• 利用具有本征χ(2)和χ(3)非线性极化率的低损耗AlN波导平台。
• 通过透射和反射测量表征光学特性，以提取Q因子和传播损耗。
• 利用AlN的宽禁带（~6.2 eV）特性，降低紫外波段的双光子吸收及其他损耗机制。
• 确保与基于AlGaN的有源器件兼容，以实现未来单片集成。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在单晶AlN平台上实现紫外波段的超高品质因子？
• RQ2 在390 nm波长下，AlN波导中可实现的最低光学传播损耗是多少？
• RQ3 AlN的本征非线性特性如何支持紫外光子应用？
• RQ4 AlN微环谐振器能否实现高效的片上紫外光谱分析？
• RQ5 与基于AlGaN的紫外发光器和探测器实现单片集成的潜力如何？

主要发现

• 在单晶AlN微环谐振器中，于390 nm波长下实现了2.1 × 10⁵的记录性品质因子。
• 测得AlN波导中的光学传播损耗约为8 dB/cm。
• AlN平台与基于AlGaN的紫外发光器和接收器完全兼容，支持单片集成。
• AlN的宽禁带（~6.2 eV）使双光子吸收显著降低，且在紫外波段具有高透明度。
• 低损耗AlN波导平台支持未来在片上紫外光谱分析和非线性光学中的应用。
• 本研究为量子信息处理背景下的集成式紫外光子电路奠定了基础。