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用于绝缘体上铌酸锂平台的超高Q光子晶体纳米束腔的成功研制
铌酸锂（LN）的广泛光谱覆盖和优越的光学性能为探索新功能提供了一套全面的工具。实现高质量（Q）光子谐振腔对于增强光-物质相互作用至关重要。然而，这项任务具有挑战性。近日，经过西安电子科技大学的姚丹阳副教授和西北工业大学的甘雪涛教授的深入研究，在LNOI平台上取得了超高品质因子光子晶体纳米束腔（PCNBC）的设计、制备及光子高效操控方面的重大进展，相关成果以“Ultra-high-Q photonic crystal nanobeam cavity for etchless lithium niobate on insulator (LNOI) platform”为题发在《Opto-Electronic Advances》上。
文章链接：
https://doi.org/10.29026/oea.2025.240114
光与物质之间的相互作用为实现片上光子操纵技术的基本组件奠定了第一个基础。传统的硅基光子晶体纳米束腔（PCNBCs）以高质量（Q）因子和小模体积强烈限制光，极大地增强了这些相互作用。然而，硅光子学的调制速度主要受到其固有的吸收和非线性特性的限制，这导致其发展停滞不前，难以满足对大容量互连和通信呈指数级增长的需求。另一方面，铌酸锂（LiNbO3，LN）几十年来在推进光子学和声学方面发挥了至关重要的作用。从实现高速光通信到开发用于移动终端的声滤波器，LN已经证明了其多功能性和可靠性。
绝缘体上铌酸锂薄膜（LNOI）继承了LN的卓越光学特性，最近被公认为引领芯片上集成光子学另一场革命的前沿平台。与硅光子学的CMOS兼容工艺相比，LNOI光子学在制造低损耗波导和纳米级光学元件方面遇到了重大障碍。主要的挑战是LN的高质量蚀刻。特别是在实现光子晶体腔等微纳结构方面存在巨大挑战，限制了这类谐振腔器件的进步。
为应对这一问题，研究人员提出了一种新型异质集成方案，即在薄膜铌酸锂（LNOI）衬底上旋涂易于图形化的有机聚合物材料作为负载层。在该方案中，可以通过光刻工艺直接对负载层图案化，避免了复杂的刻蚀工艺，从而简化了制造流程，并降低了光传输损耗。此前这类研究聚焦于连续域束缚态（BIC）机制上，尽管这些基于TM模式的光子器件展现了一系列有趣的现象和功能，但是其波导传输损耗对波导宽度的变化极为敏感，只有在特定波导宽度下才能实现低损耗传输，这对加工精度提出了极高要求，同时也限制了光子器件设计的灵活性。更糟糕的是，TM模式与铌酸锂层在空间上的重叠面积小，阻碍了铌酸锂优异材料特性的发挥，从而降低了能效，特别是在调制器及非线性光学器件中尤为明显。因此，设计一种传输损耗对波导宽度具有鲁棒性且光场被集中限制于铌酸锂层内的高Q值PCNBC对于实现高效光子操控具有重要意义。
图1（a）描绘了放置在y切LNOI基板上的聚合物加载波导的横截面图。负载聚合物的厚度为0.4μm，宽度为w。为了获得最佳w，采用有限元法（FEM）对该波导的传播损耗进行建模。图1（b）显示了1550nm波长下不同模式的传播损耗与波导宽度w之间的关系。观察到TM模式在某些特定的波导宽度下表现出最小的损耗。这种行为可以从光子势的角度来解释，如图1（b）的插图所示。由于TM模式的势阱位于TE连续体内，TM模式的能量可以通过波导的边缘耦合到TE连续体中。通过调整w，可以通过耦合信道之间的相消干涉来消除耦合损耗。在这种机制中，由于势阱内更强的约束，TM模式在2.1μm的w处表现出比3.0μm更低的损耗。相比之下，对于TE模式，势阱具有最低的能量，并且不与LN衬底中的TE连续体耦合。因此，TE模式的传播损耗低且稳定，随着w的增加而降低。因此，与TM模式相比，TE模式具有鲁棒性。
图1 非刻蚀铌酸锂平台中的TE及TM模式传输损耗及光场分布分析。（a）波导结构示意图；（b）TE与TM模式所对应的传输损耗与波导宽度的关系；（c）和（d）分别展示了TM和TE模式在相同波导宽度下的光场分布图。
为了揭示波导内的光传播机制，对具有电场分布的光学模式进行了分析。图1（c）显示了TM00和TM01模式的|Ey|电场分布，揭示了能量集中在上包覆层和下包覆层。相应地，图1（d）显示了TE00和TE01模式的|Ez|电场分布，证实了LN层内的主要定位，这有助于有效利用优异的材料性能。与TM模式相比，TE模式在z方向上表现出相对较弱的限制，这可能会导致涉及弯曲波导的设计中产生更大的损耗。然而，TE模式的传输特性有助于避免LN各向异性对BIC条件的破坏。这一特性对于高Q PCNBC的设计非常重要。
基于上述对波导模式和光损耗的讨论，该团队进一步研究了纳米腔内的损耗。如图2（a）所示，所提出的PCNBC由两个区域中的一系列电介质块构成，包括锥形和镜面，它们与红色虚线对称。图2（b）显示了TE00模式的频带图。选择0.3和0.42的填充系数，对应于最大镜强度和最小镜强度（见图2（c））。如图2（b）所示，在f=0.3时获得了光子带隙（PBG）（蓝色曲线）。当f为0.42时（红色曲线），介电带被拉入PBG。这意味着基本模式变成了离散模式。图2（d）显示了基模和二阶模高斯形电场能量分布的模拟结果。这表明该团队设计的PCNBC具有支持其他高阶谐振模式的能力。此外，如图2（e）所示，基模的电场分布平行于LN晶体的z轴。因此，它证实了PCNBC的光学模式是基于TE00模式。
图2 TE偏振态的PCNBC验证及性能表征。（a）PCNBC结构示意图；（b）测得的PCNBC光学透射谱；（c）PCNBC工作于TE偏振的实验验证；（d）和（e）分别为改变渐变区域及镜面区域中聚合物光栅条数量对Q及透射率的影响。
该研究在高Q LN PCNBC器件实现的基础上，进一步探索了该类型器件在高效热光调谐和光学双稳态激发方面的应用潜力。已知LN的热光系数较低，导致其热光调谐困难，在高速LN调制器的静态或低速相位调制和波长对准功能实现上，功耗性能表现不佳。此外，LN的禁带宽度约为3.7 eV，因此在1.55 μm通信波长的双光子吸收系数微弱，缺少激发双稳态现象的机制，从而无法实现光逻辑器件。聚合物复合波导的引入，恰好解决了上述问题。如图3(a)、(b)所示，通过增强光与物质的相互作用，高Q PCNBC可以有效实现热光调谐及光学双稳态激发，其调谐系数和双稳态的激发阈值功率分别达到26 pm/℃，160 μW。此外，如图3(c)所示，研究人员首次在LN光谐振器件中观察到了Fano共振线型的连续可调现象，这为快速、低功耗的光开及高灵敏传感应用提供了实验基础。研究显示，通过增强光与物质的相互作用，不仅可以提升热光调谐与光学双稳态的效果，还能在Fano共振研究中看到更明显的调谐现象，证实了较高的品质因子对于提升光子操控效率的重要性。
图3（a）所制备的PCNBC的SEM图像。底部插图分别显示了光栅耦合器（左）和腔体的中心区域（右）。（b） fc=0.42，fe=0.3，Nt=120，Nm=100，w=2μm的腔的测量透射光谱。插图：基模的详细透射光谱在1528.320 nm左右用洛伦兹线形拟合。（c） 测量的基模Q因子与波导宽度w的关系。（d）在Nm=100时测量的不同Nt的基模透射光谱。（e） 在Nt=120时，测量了不同Nm下基模的透射光谱。插图显示了Nm=200时透射光谱的洛伦兹拟合。
这项研究为铌酸锂光子器件高效操控光子提供了一种有效方法。表1显示了报告的基于LN的PCNBC的比较。
表1 LN基板上各种PCNBC的比较
该文从理论上提出并实验证明了一种基于LNOI平台实现高Q PCNBC的方法。此外，该团队探索了高Q微腔在光与外场相互作用中的应用潜力，展示了TO调谐、光诱导双稳性和Fano线形生成中的有效调制效应。这些结果为开发高性能EO或AO调制器、光学逻辑器件和量子光子学提供了一种多功能平台技术，展示了在光子集成领域的巨大潜力。
用于绝缘体上铌酸锂平台的超高Q光子晶体纳米束腔的成功研制
铌酸锂（LN）的广泛光谱覆盖和优越的光学性能为探索新功能提供了一套全面的工具。实现高质量（Q）光子谐振腔对于增强光-物质相互作用至关重要。然而，这项任务具有挑战性。近日，经过西安电子科技大学的姚丹阳副教授和西北工业大学的甘雪涛教授的深入研究，在LNOI平台上取得了超高品质因子光子晶体纳米束腔（PCNBC）的设计、制备及光子高效操控方面的重大进展，相关成果以“Ultra-high-Q photonic crystal nanobeam cavity for etchless lithium niobate on insulator (LNOI) platform”为题发在《Opto-Electronic Advances》上。
文章链接：
https://doi.org/10.29026/oea.2025.240114
光与物质之间的相互作用为实现片上光子操纵技术的基本组件奠定了第一个基础。传统的硅基光子晶体纳米束腔（PCNBCs）以高质量（Q）因子和小模体积强烈限制光，极大地增强了这些相互作用。然而，硅光子学的调制速度主要受到其固有的吸收和非线性特性的限制，这导致其发展停滞不前，难以满足对大容量互连和通信呈指数级增长的需求。另一方面，铌酸锂（LiNbO3，LN）几十年来在推进光子学和声学方面发挥了至关重要的作用。从实现高速光通信到开发用于移动终端的声滤波器，LN已经证明了其多功能性和可靠性。
绝缘体上铌酸锂薄膜（LNOI）继承了LN的卓越光学特性，最近被公认为引领芯片上集成光子学另一场革命的前沿平台。与硅光子学的CMOS兼容工艺相比，LNOI光子学在制造低损耗波导和纳米级光学元件方面遇到了重大障碍。主要的挑战是LN的高质量蚀刻。特别是在实现光子晶体腔等微纳结构方面存在巨大挑战，限制了这类谐振腔器件的进步。
为应对这一问题，研究人员提出了一种新型异质集成方案，即在薄膜铌酸锂（LNOI）衬底上旋涂易于图形化的有机聚合物材料作为负载层。在该方案中，可以通过光刻工艺直接对负载层图案化，避免了复杂的刻蚀工艺，从而简化了制造流程，并降低了光传输损耗。此前这类研究聚焦于连续域束缚态（BIC）机制上，尽管这些基于TM模式的光子器件展现了一系列有趣的现象和功能，但是其波导传输损耗对波导宽度的变化极为敏感，只有在特定波导宽度下才能实现低损耗传输，这对加工精度提出了极高要求，同时也限制了光子器件设计的灵活性。更糟糕的是，TM模式与铌酸锂层在空间上的重叠面积小，阻碍了铌酸锂优异材料特性的发挥，从而降低了能效，特别是在调制器及非线性光学器件中尤为明显。因此，设计一种传输损耗对波导宽度具有鲁棒性且光场被集中限制于铌酸锂层内的高Q值PCNBC对于实现高效光子操控具有重要意义。
图1（a）描绘了放置在y切LNOI基板上的聚合物加载波导的横截面图。负载聚合物的厚度为0.4μm，宽度为w。为了获得最佳w，采用有限元法（FEM）对该波导的传播损耗进行建模。图1（b）显示了1550nm波长下不同模式的传播损耗与波导宽度w之间的关系。观察到TM模式在某些特定的波导宽度下表现出最小的损耗。这种行为可以从光子势的角度来解释，如图1（b）的插图所示。由于TM模式的势阱位于TE连续体内，TM模式的能量可以通过波导的边缘耦合到TE连续体中。通过调整w，可以通过耦合信道之间的相消干涉来消除耦合损耗。在这种机制中，由于势阱内更强的约束，TM模式在2.1μm的w处表现出比3.0μm更低的损耗。相比之下，对于TE模式，势阱具有最低的能量，并且不与LN衬底中的TE连续体耦合。因此，TE模式的传播损耗低且稳定，随着w的增加而降低。因此，与TM模式相比，TE模式具有鲁棒性。
图1 非刻蚀铌酸锂平台中的TE及TM模式传输损耗及光场分布分析。（a）波导结构示意图；（b）TE与TM模式所对应的传输损耗与波导宽度的关系；（c）和（d）分别展示了TM和TE模式在相同波导宽度下的光场分布图。
为了揭示波导内的光传播机制，对具有电场分布的光学模式进行了分析。图1（c）显示了TM00和TM01模式的|Ey|电场分布，揭示了能量集中在上包覆层和下包覆层。相应地，图1（d）显示了TE00和TE01模式的|Ez|电场分布，证实了LN层内的主要定位，这有助于有效利用优异的材料性能。与TM模式相比，TE模式在z方向上表现出相对较弱的限制，这可能会导致涉及弯曲波导的设计中产生更大的损耗。然而，TE模式的传输特性有助于避免LN各向异性对BIC条件的破坏。这一特性对于高Q PCNBC的设计非常重要。
基于上述对波导模式和光损耗的讨论，该团队进一步研究了纳米腔内的损耗。如图2（a）所示，所提出的PCNBC由两个区域中的一系列电介质块构成，包括锥形和镜面，它们与红色虚线对称。图2（b）显示了TE00模式的频带图。选择0.3和0.42的填充系数，对应于最大镜强度和最小镜强度（见图2（c））。如图2（b）所示，在f=0.3时获得了光子带隙（PBG）（蓝色曲线）。当f为0.42时（红色曲线），介电带被拉入PBG。这意味着基本模式变成了离散模式。图2（d）显示了基模和二阶模高斯形电场能量分布的模拟结果。这表明该团队设计的PCNBC具有支持其他高阶谐振模式的能力。此外，如图2（e）所示，基模的电场分布平行于LN晶体的z轴。因此，它证实了PCNBC的光学模式是基于TE00模式。
图2 TE偏振态的PCNBC验证及性能表征。（a）PCNBC结构示意图；（b）测得的PCNBC光学透射谱；（c）PCNBC工作于TE偏振的实验验证；（d）和（e）分别为改变渐变区域及镜面区域中聚合物光栅条数量对Q及透射率的影响。
该研究在高Q LN PCNBC器件实现的基础上，进一步探索了该类型器件在高效热光调谐和光学双稳态激发方面的应用潜力。已知LN的热光系数较低，导致其热光调谐困难，在高速LN调制器的静态或低速相位调制和波长对准功能实现上，功耗性能表现不佳。此外，LN的禁带宽度约为3.7 eV，因此在1.55 μm通信波长的双光子吸收系数微弱，缺少激发双稳态现象的机制，从而无法实现光逻辑器件。聚合物复合波导的引入，恰好解决了上述问题。如图3(a)、(b)所示，通过增强光与物质的相互作用，高Q PCNBC可以有效实现热光调谐及光学双稳态激发，其调谐系数和双稳态的激发阈值功率分别达到26 pm/℃，160 μW。此外，如图3(c)所示，研究人员首次在LN光谐振器件中观察到了Fano共振线型的连续可调现象，这为快速、低功耗的光开及高灵敏传感应用提供了实验基础。研究显示，通过增强光与物质的相互作用，不仅可以提升热光调谐与光学双稳态的效果，还能在Fano共振研究中看到更明显的调谐现象，证实了较高的品质因子对于提升光子操控效率的重要性。
图3（a）所制备的PCNBC的SEM图像。底部插图分别显示了光栅耦合器（左）和腔体的中心区域（右）。（b） fc=0.42，fe=0.3，Nt=120，Nm=100，w=2μm的腔的测量透射光谱。插图：基模的详细透射光谱在1528.320 nm左右用洛伦兹线形拟合。（c） 测量的基模Q因子与波导宽度w的关系。（d）在Nm=100时测量的不同Nt的基模透射光谱。（e） 在Nt=120时，测量了不同Nm下基模的透射光谱。插图显示了Nm=200时透射光谱的洛伦兹拟合。
这项研究为铌酸锂光子器件高效操控光子提供了一种有效方法。表1显示了报告的基于LN的PCNBC的比较。
表1 LN基板上各种PCNBC的比较
该文从理论上提出并实验证明了一种基于LNOI平台实现高Q PCNBC的方法。此外，该团队探索了高Q微腔在光与外场相互作用中的应用潜力，展示了TO调谐、光诱导双稳性和Fano线形生成中的有效调制效应。这些结果为开发高性能EO或AO调制器、光学逻辑器件和量子光子学提供了一种多功能平台技术，展示了在光子集成领域的巨大潜力。