亚波长铌酸锂薄膜光子晶体谐振腔的非线性及光力研究

Lithium niobate crystals have excellent physical properties such as nonlinearity, electro-optics etc. optical/acoustic/force/thermal/electrical properties. The fabrication technology of lithium niobate film (LNOI) on insulator makes Lithium Niobate more advantageous in the competition of micro-nano photonic chip materials. This topic will design a high-quality factor (Q) lithium niobate cavity of an one/two-dimensional cantilever photonic crystal structure at sub-wavelength scale, which can further compress the light field mode volume to achieve strong spatial localization and frequency selection of the light field. This cavity can enhance the second order and higher order nonlinear interactions, and help to explore the relationship between photon energy and momentum. In addition, the sub-wavelength scale strong constraint optical field will produce high-efficiency optomechanical coupling; and it is expected to obtain high-order mechanical oscillation harmonics. Resonance measurement of the mechanical oscillation frequency at a micro scale can be achieved by adjusting various structural parameters to develope a mechanical frequency comb. The realization of the high-Q lithium niobate photonic crystal microcavity opens a new door to lithium niobate nano-photonic devices. The sub-wavelength photonic crystal structure can realize the interactions between photons and photons, photons and phonons; it has broad application prospects in nonlinear optics, quantum optics, electro-optic, and optical-mechanics.

铌酸锂晶体具有非线性、电光调控等光/声/力/热/电等优良物理特性。绝缘体上铌酸锂薄膜（LNOI）制备工艺的出现，让铌酸锂在微纳光子芯片材料的竞争中更具优势。本课题将设计亚波长尺度的一/二维悬臂光子晶体结构的高品质因子(Q)铌酸锂谐振腔，将光场模式体积进一步压缩，实现对光场的空间局域和频率的选择，增强二阶到高阶非线性相互作用，探究光子能量与动量的关系。此外，亚波长尺度极强光场约束下还将产生高效光力耦合，有望获得高次机械震荡谐波。通过调节各结构参数有望发展为机械频率梳，实现微尺度下对机械振荡频率的共振测量。本课题高Q铌酸锂光子晶体微腔的实现，打开了一扇新的通往铌酸锂纳米光子器件的大门，成功且高效地将具有多种优异物理性质的铌酸锂材料与具有丰富应用场景设计的亚波长光子晶体结构相结合，可实现光子与光子，光子与声子之间的相互作用；其在非线性光学、量子光学、电光、光力等方面具有广阔的应用前景。

铌酸锂晶体具有非线性、电光调控等光/声/力/热/电等优良物理特性。绝缘体上铌酸锂薄膜（LNOI）制备工艺的出现，让铌酸锂在微纳光子芯片材料的竞争中更具优势。本课题将设计亚波长尺度的一/二维悬臂光子晶体结构的高品质因子(Q)铌酸锂谐振腔，将光场模式体积进一步压缩，实现对光场的空间局域和频率的选择，增强二阶到高阶非线性相互作用，探究光子能量与动量的关系。此外，亚波长尺度极强光场约束下还将产生高效光力耦合，有望获得高次机械震荡谐波。通过调节各结构参数有望发展为机械频率梳，实现微尺度下对机械振荡频率的共振测量。本课题高Q铌酸锂光子晶体微腔的实现，打开了一扇新的通往铌酸锂纳米光子器件的大门，成功且高效地将具有多种优异物理性质的铌酸锂材料与具有丰富应用场景设计的亚波长光子晶体结构相结合，可实现光子与光子，光子与声子之间的相互作用；其在非线性光学、量子光学、电光、光力等方面具有广阔的应用前景。.通过本项目的实施，我们制备模式体积为1μm3 左右的LNOI 光子晶体微腔，理论上实现Q 值达到106 的高品质因子（实验接近）。该结构有效增强了非线性效应和腔光力震荡，有利于实现非线性频率转换和高阶机械频率梳。我们制备了一维铌酸锂光子晶体微腔，研究了光力耦合特性，在实验上观察到了高阶非线性机械振荡。为了降低亚微米器件的难度，我们设计了基于光量子能谷霍尔效应的二维铌酸锂光子晶体微腔，利用能谷态的拓扑保护效应实现微腔谐振波长对特定的外界缺陷不敏感，即实现高稳定性。本工作期待为微腔产生高鲁棒性的倍频信号相关研究提供参考。此外，我们还设计了基于级联双色光子晶体微腔，和合并BIC的双共振光子晶体微腔，有助于增强光子晶体微腔品质因子，进而提高倍频转换效率。后续工作我们将结合非线性和光力振荡现象，对提升光力传感的敏感性进一步研究。