Akusto-optisk modulering af fotonisk bundet tilstand i kontinuum

Anvendelse af bundne tilstande i kontinuummet (BIC'er) i fotoniske integrerede kredsløb muliggør lysstyring og routing med lavt tab i bølgeledere med lavt brydningsindeks på substrater med højt refraktivt indeks. Her, vi demonstrerer højkvalitets integrerede lithiumniobat-mikrohulrum med cirkulerende BIC'er og yderligere akusto-optisk modulerer disse BIC'er ved overfladeakustiske bølger. Den akusto-optiske kobling er godt placeret i det opløste sidebåndsregime, hvilket fører til sammenhængende kobling mellem mikrobølger og optiske fotoner, som udvist af den observerede elektro-akusto-optisk inducerede transparens og absorption.

Udnyttelse af bundne tilstande i kontinuummet (BIC'er) i fotoniske integrerede kredsløb (PIC'er) giver mulighed for lysstyring og routing med lavt tab med en bølgeleder med lavt brydningsindeks på et substrat med højt refraktivt indeks. PIC'er, der opererer under BIC-princippet, kræver ikke mønstrende mikro- eller nanostrukturer i det funktionelle fotoniske materiale. Uden det strenge krav om ætsning af høj kvalitet, mange enkeltkrystalmaterialer, der udviser fremragende optiske funktionaliteter i bulkform, kan nu introduceres til den integrerede fotoniske platform.

Akusto-optik involverer studiet af fonon-foton-interaktioner baseret på ændringer i et mediums brydningsindeks på grund af tilstedeværelsen af ​​akustiske bølger i det medium. Akustiske overfladebølger (SAW'er), der udbreder sig på overflader af et tyndfilms piezoelektrisk materiale, kan begrænses inden for en tykkelse, der er mindre end den akustiske bølgelængde, producerer fononer med en meget høj tæthed i området nær overfladen. Det lille akustiske modale område, som kan sammenlignes med det optiske modale område, resulterer i et stort overlap mellem de to tilstande i fotoniske bølgeledere. Derfor, SAW'er kan bruges til at opnå stærke akusto-optiske interaktioner i nanofotoniske enheder.

Lithiumniobat (LiNbO ₃ ) er en ideel platform til forskning i fonon-foton-interaktioner, fordi den har store piezoelektriske koefficienter og er optisk transparent over et bredt bølgelængdeområde. Det kan bruges til at generere SAW'er effektivt og understøtte fotoniske hulrum med højkvalitetsfaktorer. Da PIC'er, der opererer under BIC-mekanismen, giver mulighed for fleksibelt valg af piezoelektriske materialer, LiNbO ₃ kan anvendes til at fremstille fotoniske mikrokaviteter af høj kvalitet på en chip uden behov for ætsning.

I et nyt blad udgivet i Lys:Videnskab og applikationer , forskere fra The Chinese University of Hong Kong demonstrerede et fotonisk mikrohulrum af høj kvalitet baseret på BIC-mekanismen, som blev integreret med en SAW interdigital transducer monolitisk på en tyndfilm LiNbO ₃ -på-isolator platform. Hulrummet blev konstrueret simpelthen ved at mønstre bølgeledere med lavt brydningsindeks på LiNbO med højt brydningsindeks ₃ substrat uden at stå over for udfordringen med ætsning af høj kvalitet af LiNbO ₃ .

Enhederne blev fremstillet på en 400-nm LiNbO ₃ -on-isolator wafer med en standard top-down nanofabrikationstilgang. De optiske resonanser af det fremstillede racerbane-mikrohulrum blev målt, med den højeste iboende optiske kvalitetsfaktor, der når ~500, 000. Akusto-optisk modulering af hulrumsresonante BIC-tilstande blev demonstreret for første gang, med modulationsfrekvensen over 4 GHz. Kombinationen af ​​SAW'ens høje frekvens og sub-GHz linjebredden af ​​kavitetsresonansen muliggør akusto-optisk kobling i det opløste sidebåndsregime, giver kohærent kobling mellem mikrobølger og optiske fotoner, som det fremgår af den observerede elektro-akusto-optisk inducerede transparens og absorption.

Den unikke egenskab og største fordel ved den nuværende ordning er, at ved at udnytte lysstyringen med lavt tab under BIC-mekanismen, single-crystal LiNbO ₃ lag er fri for ætsning, således producere SAW'er med ensartede akustiske bølgelængder og lavt akustisk udbredelsestab, som letter højeffektiv fonon-foton-kobling. Den opnåede stærke fonon-foton-kobling kan udnyttes til at udvikle en bred vifte af Brillouin-spredning-baserede fotoniske applikationer, inklusive forsinkelseslinjer, lys opbevaring, mikrobølge signalbehandling, Brillouin lasere og forstærkere, og ikke -gensidig lystransmission. Derudover de vandrende akustiske bølger her var elektrisk ophidsede, er meget stærkere end dem, der ophidses af optiske metoder. Ved at bruge et piezoelektrisk materiale, det er ikke nødvendigt at fremstille sarte ophængte strukturer svarende til dem i konventionelle on-chip-stimulerede-Brillouin-spredning-baserede enheder. Derfor, vores demonstrerede enheder har et stort løfte om at opnå høj ydeevne i Brillouin-effektbaserede applikationer med en mere robust arkitektur.