具有极高Q因子的片上谐振器的通用导光几何

高Q光学谐振器长期以来被用于腔量子电动力学和光力学等现象的科学研究，已成为具有巨大实际影响的片上光子学的一种有价值的工具。由于过去十年的努力，已经可以制造出极高Q因子的片上谐振器。它们的几何形状可以精确地设计和成形，以控制自由光谱范围(FSR)和色散等特性，以满足高效非线性过程的要求。这些进步使得片上光子学可以利用非线性光学现象，同时保持其自身的小型化、大规模生产力和与其他有源和无源元件集成的优点。光学频率梳，这一革命性的超快科学和计量，现在可以实现在芯片上使用Kerr非线性。类似地，超窄线宽激光器和高灵敏度光学陀螺仪等核心特性已通过采用受激布里渊散射(SBS)的芯片级器件得到证实。

       到目前为止，这些演示几乎完全依赖三种材料Si、SiO2和Si3N4来创建包含非线性高Q谐振器的光子芯片。有相当大的动机探索替代材料，如那些具有更好的非线性，将导致泵功率下降到与便携式设备兼容的水平。 具有扩展传输窗口的材料也会导致可以在中红外（中红外)工作的设备）。因此，从其他有前途的材料中开发片上高Q谐振器受到了广泛的关注。对于片上高Q谐振器，最关键的问题是开发特定材料定制的制造工艺，该材料能够产生非常光滑的表面，因为Q因子往往受到表面散射损耗的限制。在二氧化硅的情况下，这些工艺已经改进了十多年，不幸的是，可能需要类似的努力来理解和克服在用每种新材料制造过程中引入的限制，这阻碍了技术的进一步发展。

       近日，来自韩国高级科学和技术研究所物理系的Dae-Gon Kim等人提出了一种通用的方法，通过这种方法，高Q谐振器或更一般地说，具有极低损耗的导光结构，可以从广泛的材料中在芯片上定义，而不需要为该材料开发特定的蚀刻工艺。这种方法是在变换光学概念的启发下，通过实现Q因子为1.44×107的片上As2S3谐振器来证明的，它近似于硫族化合物纤维的性能。此外，还证实了增强Q因子使受激布里渊过程激光的阈值功率为0.54mW，比以前的记录低100倍。此外，为了有效地访问任何材料制成的谐振器的模式，开发了一种耦合理想为0.92的新型倒装芯片耦合方案。相关工作发表在《Nature communications》上。（郑江坡）

文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-020-19799-2