光机械晶体腔中的声子激光

      微型和纳米力学谐振器可以检测质量、力、力矩、磁场和加速度，具有超高灵敏度和大动态范围，可广泛用于光谱测定、化学分析、生物医学诊断和电子消费产品。特别是，通过光机械系统中的光操作来驱动和量化机械运动是可能的，从而为单片集成创造了可能性。在各种光力学的候选者中，包括和膜谐振器，光机械晶体(OMC)腔是用于传感的极佳候选者。这是因为OMC腔能够以高机械频率(GHz)和低运动质量(100 fg)实现强光机械相互作用(100 kHz)。低运动质量有利于检测微小质量，而增加机械频率会增加对环境干扰的抵抗力和更大的传感带宽。

       为了提高传感灵敏度，它能够以不精确(或低于)标准量子极限的精度检测机械运动。不幸的是，在机械耗散显著增加的实际设置环境中，这通常是无法实现的。这是因为依赖于检测机械共振位移的传感机制严重依赖于机械线宽或机械Q因子。通过使用真空或低温测量，已经有效地减少机械振动造成的阻尼损失，从而将机械Q因子增加到106的数量级。然而，真空或低温条件提出了实质性的技术挑战，并限制了其实际应用。

       近日，清华大学电子工程系崔开宇等人设计了一个基于硅纳米束结构的OMC腔。该谐振腔适用频率为5.91 GHz、有效质量为116 fg、机械线宽为3.3 MHz ~ 5.2 kHz的声子激光器，光机耦合率高达1.9 MHz。利用这种声子激光器，可以预测片上传感的分辨率为δλ/λ=1.0×10-8。利用基于硅的异质OMC腔，利用声子激光，可以为实现硅单片集成的高精度传感器铺平道路，并为广泛的物理传感应用提供前所未有的灵敏度。相关研究发表在《Photonics Research》上。（丁雷）

       文章链接：KAIYU CUI,et al, Phonon lasing in a hetero optomechanical crystal cavity, Photonics Research(2021). https://doi.org/10.1364/PRJ.403833.