近期，Chinese Optics Letters2022年度主编推荐奖重磅发布，由Chinese Optics Letters主编团队联合推荐，两篇原创论文获此殊荣！
本次向大家介绍由中国科学院上海光学精密机械研究所林锦添研究员和华东师范大学程亚教授联合团队完成的Lithium niobate microring with ultra-high Q factor above 108。
Chinese Optics Letters副主编冷雨欣研究员为林锦添研究员颁发主编推荐奖
集成光路，又被称为光子集成芯片（Photonic Integrated Circuits, PICs），旨在将传统的光学系统小型化和集成化，为光信息处理系统提供大带宽和更快的速度，同时获得更低的时延、功耗和制造成本。其中，具有极低损耗和高折射率对比度的光波导，是构建大规模PICs的最基本单元。此外，依托这样的光波导构建的高品质光学微环谐振腔，通过全内反射实现对光场的长时间约束，显著增强了光与物质的相互作用，为基础物理研究和光子学应用，提供卓越的平台。
铌酸锂薄膜（Lithium Niobate on Insulator, LNOI）凭借其出色的光学性能而成为PICs的重要平台之一，比如，透明窗口更宽（0.35—5 μm）、线性电光系数大、二阶非线性系数和声光效应强。因此，基于LNOI平台的光波导，原则上具备了低传输损耗、高折射率对比度、高效非线性频率转换和高速电光调制等优越性能。然而，光波导中的传输损耗容易受到制备过程的不完美性影响，比如干法刻蚀造成的侧壁粗糙度、离子注入或离子刻蚀引入的晶格损伤等。
为了解决这个问题，各国科学家已经发展了多种技术，包括金刚石切割、精密切割、湿法刻蚀、聚焦离子束刻蚀、氩离子刻蚀和化学机械抛光等，用于制备低损耗的LNOI光波导。目前，通过化学机械抛光技术，波导侧壁的平均表面粗糙度已经被降低到约0.1 nm附近，传输损耗也下降到了2.7 dB/m。然而，若只考虑材料本征吸收的极限，LNOI光波导的最低传输损耗可低至 0.1 dB/m量级。因此，通过进一步改进工艺，有望获得更低的传输损耗。
中国科学院上海光学精密机械研究所林锦添研究员和华东师范大学程亚教授团队，在济南晶正公司的帮助下，采用化学机械抛光，将体块铌酸锂晶体减薄为4mm厚的LNOI薄膜晶圆，避免了传统LNOI薄膜制备过程中离子注入引起的晶格损伤；再利用超快飞秒激光光刻辅助的化学机械抛光技术刻蚀LNOI薄膜，获得了表面超光滑的LNOI环形微腔，抑制和避免了常用的氩离子刻蚀微结构产生的较大粗糙度和晶格损伤等缺陷。通过另外一根LNOI光波导与LNOI微环腔耦合，获得近临界耦合，实验测得微腔模式本征品质因子在1.55 mm波段达到1.08×108，对应的光波段传输损耗仅为0.34 dB/m，接近材料本征吸收极限。相关成果发表在Chinese Optics Letters2022年第20卷第1期。
铌酸锂微环腔的光学显微镜图像和局部放大的扫描电子显微镜（SEM）图像分别如图1（a）和（b）所示。LNOI微环腔具有200 μm的直径和超光滑的表面。为了准确测量微环的楔角和厚度，使用聚焦离子束在微环表面切割出一个小狭缝，如图1（c）所示。其楔角和厚度分别为9°和720 nm，值得注意的是，小楔角将驱动模式远离较为粗糙的微环边缘，从而支持更高的品质因子。
图1 超高品质因子铌酸锂微环腔；（a）超高品质因子铌酸锂微环腔的光学显微图；（b）微环腔局部放大的扫描电镜图；（c）微环腔横截面的扫描电镜图
通过测试光波导与环形微腔耦合时的透射谱，表征腔模在1550 nm波长附近的品质因子，获得近临界耦合，测试结果如图2所示，其本征品质因子超过108，对应的光波导传输损耗仅为0.34 dB/m，接近铌酸锂的材料本征吸收极限。
图2 洛伦兹曲线拟合模式的负载品质因子图谱；插图：高阶模式的相应场分布，箭头方向即为径向
该超高品质铌酸锂环形微腔可用于制作电光可调谐的高性能光子器件，例如低阈值微腔光频梳、窄线宽布里渊激光器和高亮度量子光源等。同时，低损耗的LNOI脊波导在近乎无损耗的级联电光调制器、高速信息处理和LNOI大规模光子集成方面具有巨大的应用潜力，将为集成量子光源、片上光频梳产生和非线性光学的发展注入新动力。
作者简介
林锦添
中国科学院上海光学精密机械研究所
林锦添，中国科学院上海光学精密机械研究所研究员，中国科学院青促会会员。曾获得“饶毓泰基础光学奖”以及“上海市优博奖”，2021年获国家“优秀青年科学基金”资助。近年来致力于合作发展极低损耗、可大面积加工的铌酸锂薄膜微纳制备技术，揭示片上铌酸锂微腔新型非线性相位匹配技术和弱微扰微腔模场调控机制，实现了极低损耗的铌酸锂薄膜集成光器件。合作发表SCI论文50篇左右，以第一/通讯（含共同）作者在PRL、Adv. Photonics、Laser Photonics Rev.等期刊发表学术论文20余篇。
程亚
华东师范大学
程亚，华东师范大学物理与电子科学学院教授，美国光学学会会士和英国物理学会会士。2008年国家杰出青年科学基金获得者，先后任国家科技部重大科学研究计划项目首席科学家、重点研发计划项目首席科学家。发表论文200余篇，当前H因子>50，授权国家发明专利10余项，美国专利8项。出版英文论著5本（独立撰著1本，合著2本，合编2本），中文论著1本。应邀在国际光电子领域的重要国际学术会议报告100余次。
1、Zhe Wang, Chaohua Wu, Zhiwei Fang, Min Wang, Jintian Lin, Rongbo Wu, Jianhao Zhang, Jianping Yu, Miao Wu, Wei Chu, Tao Lu, Gang Chen, Ya Cheng. High-quality-factor optical microresonators fabricated on lithium niobate thin film with an electro-optical tuning range spanning over one free spectral range [Invited][J]. Chinese Optics Letters, 2021, 19(6): 060002
2、Weiping Li, Jianjun Yu, Bowen Zhu, Jiao Zhang, Min Zhu, Chen Wang, Wen Zhou, Tangyao Xie, Jianguo Yu, Feng Zhao. Photonics 60 GBaud PDM-16QAM fiber-wireless 2 × 2 MIMO delivery at THz-band[J]. Chinese Optics Letters, 2023, 21(7): 073901
编辑 | 木拉提·满苏尔
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