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飞秒激光制备高品质铌酸锂光学微腔

2018-08-21

 

铌酸锂晶体对于光子学的意义,可比拟于硅材料对于电子学。铌酸锂是电光调控和非线性应用中公认的极好的光子结构候选材料。但在铌酸锂衬底材料上制作光子集成回路却面临着一个非常关键的问题:铌酸锂晶体化学性质稳定、耐腐蚀、难以进行光刻加工,阻碍了铌酸锂光子器件的芯片化和集成化。近年来,随着制备铌酸锂晶体薄膜技术的进步,实现了位于绝缘二氧化硅层上的铌酸锂薄膜(Lithium Niobate On Insulator,LNOI)的制备,将铌酸锂晶体微纳光学元件由三维微加工简化为二维微加工,提高了飞秒微加工等三维微加工技术的工作效率,使光刻等平面加工工艺得以应用于铌酸锂晶体光学器件的制备,有望生产一批更高性能、更低成本的光子新器件。在国家973计划项目“新型高品质微腔中的光子与电子态耦合”(项目编号:2014CB921300)的支持下,项目首席科学家程亚研究团队与浙江大学方伟研究组合作研究了高品质铌酸锂光学微腔的制备及其非线性光学效应,并取得了重要的研究进展。
一、探索基于LNOI制备铌酸锂微盘腔的技术路线
研究团队提出了基于LNOI制备铌酸锂微盘腔的一条创新型技术路线,成功实现了Q值(品质因子)超过105的微盘腔的制备。实验中采用的LNOI晶片由铌酸锂基底、二氧化硅薄膜和铌酸锂薄膜等3层结构组成,具体制备流程如图1(a-d)所示。首先,利用飞秒激光在铌酸锂薄膜上烧蚀出圆盘的轮廓;然后,用聚焦离子束研磨抛光铌酸锂圆盘侧壁,降低侧壁散射损耗;再用氢氟酸选择性刻蚀铌酸锂薄膜下方的二氧化硅层,在铌酸锂圆盘下形成二氧化硅支柱;最后,通过高温退火,减少铌酸锂微盘的晶格损伤,降低圆盘内部的散射损耗,提高微盘Q值。
该技术路线一经提出,即被诸多同行借鉴。如美国哈佛大学的Lončar研究组也在LNOI薄膜上制备出了Q值达到1.02×105的铌酸锂微盘腔,在该微腔内实现了倍频,观察到了透射谱线的热展宽效应。哈佛大学研究组采用的加工技术路线与本课题组一致,只是在具体工艺流程中,用电子束光刻和氩离子刻蚀,取代了飞秒激光烧蚀与聚焦离子束研磨抛光。由于制备技术的突破,铌酸锂晶体微腔研究在短短的两年中获得了一系列的重要进展,美、德、法、日多国的研究组都加入了竞争行列,而且数量还在增加。以美国为例,哈佛大学、罗彻斯特大学、圣地亚国家实验室等一批著名机构都先后加入竞争的行列。2015年,德国耶拿大学利用聚焦离子束刻蚀,结合氢氟酸湿法腐蚀技术,进一步将该技术用于悬空的光子晶体微腔的制备,并在光子晶体微腔中观察到了二次谐波增强效应。2016年,美国圣地亚国家实验室在CLEO会议上报告了片上铌酸锂微盘腔中二倍频转换效率0.00 167mW-1的最新数据,同时还报道了参量下转换过程的实现。2016年美国罗切斯特大学研究组利用类似技术制备的铌酸锂微盘腔中观测到了光机械耦合。2017年,德国弗莱堡大学利用化学机械抛光制备的铌酸锂片上脊型波导耦合环腔实现了级联受激拉曼散射和倍频。特别是2015年,南开大学薄方教授课题组借助该技术途径实现了世界高品质因子的铌酸锂微盘腔,并进一步在铌酸锂微腔中实现了高效和频过程,转换效率可达1.4×10-7mW-1。这些突破表明了铌酸锂薄膜光子器件在现代光子学领域的应用前景。
二、微腔非线性效应研究
在铌酸锂微腔内非线性效应方面,合作研究团队也作出了重要贡献,他们以Arxiv预印本的形式报道了Z切铌酸锂晶片上微盘腔中的倍频效应。随后利用周期相位匹配技术,在X切晶片制备得到的微腔中,创下了当时片上铌酸锂晶体微腔内倍频的高效率1.1×10-3mW-1。同时,他们在该项研究中采用的相位匹配方案,很快被国际同行运用在其他的非线性光频转换过程中。2017年,美国罗切斯特大学林强课题组利用该相位匹配机制实现了通讯波段的宽带参量下转换,参量下转换信号覆盖范围可达400纳米,可用于进一步产生量子纠缠光源。
铌酸锂晶体除了具有优秀的二阶非线性光学性质之外,还具有优秀的电光特性。因此,基于铌酸锂微腔的电光调制器一直都是重要的关注点。2016年,研究团队实现了集成电极铌酸锂微盘腔内的电光效应,将调制电压降低到了数十伏,在铌酸锂微盘腔内观察到高阶电光效应。
高品质铌酸锂薄膜微腔为芯片上非线性光学应用提供了理想的研究平台。然而,非线性光学参量的高效转换需要满足一定的相位匹配条件,这对微腔的制备技术提出了新的挑战。近期,合作研究团队利用飞秒激光微纳加工技术结合聚焦离子束研磨技术,制备出了由两个直径不同的铌酸锂微盘腔组成的光子分子结构,如图2(a)所示。由于两个腔的间距足够小,腔模会发生强耦合。在连续光泵浦下,会产生丰富的非线性光频转换过程,包括倍频效应以及同时在倍频光附近出现的级联四波混频效应和受激拉曼散射。图2(b)为1 565纳米波长泵浦光泵浦时CCD相机拍摄的光子学分子的倍频光模式分布,图2(c)为泵浦光为23.2mW时倍频光附近的光谱,其中SH为倍频信号,F1F4为级联四波混频信号,R1R3为受激拉曼散射信号。该工作证明了耦合多腔结构是实现非线性光学过程的优良平台。
该项研究过程中也培养了一批优秀的年轻学者,例如研究骨干林锦添博士的博士论文被评选为上海市优秀博士论文,博士研究生方致伟、汪先后获得国家奖学金等荣誉,为我国在该重要领域储备了关键技术人才。
专家简介
程亚,教授,华东师范大学物理与材料科学学院院长,中国科学院上海光学精密机械研究所研究员。1993年获复旦大学学士学位,1998年上海光学精密机械研究所获博士学位。国际飞秒激光微纳制备领域中“狭缝整形”技术和“时空聚焦”技术的发明人。2008年获国家杰出青年科学基金、2014年起任国家重大科学研究计划项目首席科学家。发表SCI论文200余篇,科学引文索引他引5000余次,H因子40。国际学术会议邀请作报告130余次,合著、合编英文论著3部,中文论著1部。曾获上海市自然科学牡丹奖、上海市自然科学一等奖、天津市自然科学一等奖、“中国科学院朱李月华优秀教师奖”等奖项。获国家“万人计划”领军人才、上海领军人才、上海市优秀学术带头人等荣誉。2012年当选英国物理学会会士。