科研進展

新型雙層晶體微腔中的高品質外部回音壁模式

近期,国际物理学权威期刊Physical Review Letters以“High-Q exterior whispering-gallery modes in a double-layer crystalline microdisk resonator”为题发表了上海交通大学物理与天文学院及其合作单位在光学微腔研究领域的最新成果。该成果由陈险峰教授、郑远林助理研究員研究组与华东师范大学程亚教授课题组合作完成。他们通过理论模拟和实验印证了双层铌酸锂薄膜回音壁微腔中一种高品质的外部回音壁模式。该论文已于6月28日在线刊发。

回音壁模式光學微腔具有很高的品質因子和很小的模式體積,因而在光學探測、非線性光學、腔光力學以及量子光學等諸多方面有重要應用,是當前光物理研究的一個前沿和熱門領域。傳統回音壁模式通過全內反射將光局域在光腔內部,只有很少一部分光場以倏逝波形式泄露在外。其光與物質相互作用多局限于光與微腔本身介質之間,從而限制了它們在其它某些重要領域中的應用。因此,人們也一直在尋求將光場局域在腔外的新方法,以增強光學模式的環境探測靈敏度及其與外界相互作用的程度。通過表面等離子共振的方法可以把光學模式局域在微腔外面,但等離子共振的本征金屬損耗大且不可避免,用這種方法實現的模式品質因子較低。另一方法是利用狹縫波導結構,這是由于光場經過狹縫區域時電位移矢量連續而電場強度矢量不連續,使得電場強度主要集中在狹縫中。通過垂直狹縫波導模式將大部分光場能量局域在低折射率的狹縫區域,可實現靈敏的氣體檢測、納米顆粒探測和操控。但是垂直狹縫微腔的制備工藝困難,相應的散射損耗也比較難抑制,這是回音壁微腔中的狹縫模式品質因子受限的主要原因。而且狹縫的制備一般只能利用納米級高精度加工工藝實現,且對基底材料也有所限制。

圖:(左側)雙層铌酸锂薄膜微腔結構示意圖及掃描電子顯微鏡圖;(右側)雙層微腔同時支持腔內模式和腔外狹縫模式.

为此,双方研究组通过强强联合深度合作率先制备出一种新型的双层铌酸锂薄膜微盘微腔,其上下两层铌酸锂薄膜中间仅留100多纳米高的狭缝。他们通过飞秒激光以及聚焦离子束加工的方法在特定的双层铌酸锂薄膜上制备出微盘结构,再加以湿法刻蚀将中间二氧化硅缓冲层腐蚀掉。从而在制备出双层铌酸锂薄膜微腔的同时,在上下晶体层中间形成一个很窄的水平纳米级狭缝。经过长期技术积累和制备工艺突破,目前铌酸锂微盘腔的品质因子已达到100,000以上。其表面平整度优于1纳米(0.5 nm rms),这通过原子力显微镜表面形貌分析也得到了印证。基于水平狭缝结构,他们在理论上看到,这种双层腔可支持狭缝回音壁光学模式,并且光场在狭缝中将得到增强。所得到的外部狭缝回音壁模式既具有高品质因子,又具有很强的光局域性。在实验上他们发现这种新型狭缝回音壁模式已经达到了与腔内模式相当的品质因子,这说明所制样品中水平狭缝的上下表面非常光滑。这种在晶体狭缝中的光场模式性能优于其它同类结构。其狭缝回音壁模式同时受到了微腔共振和狭缝结构的双重增强效果,而以往的同类工作中由于品质因子有限往往这种双重增强的效果不明显。

研究團隊還在文中展望,由于所用材料铌酸锂晶體具有高透明、非線性、電光、壓電等多功能特性,同時晶體的楊氏模量更大,表面平整且吸收小,這種新型雙層晶體微腔將在片上電光調制、頻率變換、電場感應等方面大展身手。並且由于狹縫模式光場強度在界面處突變,光場梯度力更也大,這項工作也爲研究微腔光學提供了一個新穎的平台和手段,在此基礎上未來可望在腔光力學、非線性光學和光學檢測方面得到更大的進展。另外,光學微腔作爲組成光子芯片的基本單元之一,這裏提出的高品質铌酸锂薄膜微腔也將爲其在腔量子電動力學、量子光學、量子信息等方向上的應用打下基礎。

本研究是一项合作分工完成的工作。华东师范大学程亚教授、方致伟副教授负责样品的制备,上海交通大学陈险峰教授、郑远林助理研究員和刘时杰博士负责理论分析和光学实验,双方共同对研究结果进行了分析和讨论,论文第一作者为郑远林助理研究員。研究工作得到了国家重点研究计划项目(项目编号No. 2018YFA0306301, 2017YFA0303701),自然基金支持(NSFC) (项目编号No. 11604206, 11734011, 61590934) 和上海市科学技术研究项目(项目编号 No. 17JC1400400)的资助。

 

文章鏈接:https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.122.253902