(a) Esquema de todo o dispositivo. (b) Seção transversal do guia de onda que suporta o modo BIC fotônico. (c, d) Campo elétrico | E | perfis do modo de ligação TM (c) e um modo contínuo TE (d) suportado pelo guia de ondas em (b). O modo BIC fotônico refere-se ao modo TM ligado (c) que sob certas condições não interage com os modos contínuos TE (d) e, portanto, experimenta perda de propagação zero no guia de ondas em (b). (e) Fator de qualidade óptica intrínseco simulado e medido da ressonância da cavidade em função da largura do guia de onda w. (f) Ilustração de um SAW se propagando através de um guia de ondas BIC e um guia de ondas gravado. O guia de ondas gravado causa reflexão e dispersão do incidente SAW, mas o guia de ondas BIC não. Crédito:por Zejie Yu e Xiankai Sun
A aplicação de estados ligados no contínuo (BICs) em circuitos integrados fotônicos permite orientação de luz de baixa perda e roteamento em guias de onda de baixo índice de refração em substratos de alto índice de refração. Aqui, demonstramos microcavidades de niobato de lítio integradas de alta qualidade com BICs circulantes e, posteriormente, modulamos acústico-opticamente esses BICs por ondas acústicas de superfície. O acoplamento acústico-óptico está bem situado no regime de banda lateral resolvida, que leva ao acoplamento coerente entre micro-ondas e fótons ópticos, conforme exibido pela transparência e absorção induzidas eletro-acústico-opticamente.
O aproveitamento de estados ligados no contínuo (BICs) em circuitos integrados fotônicos (PICs) permite orientação e roteamento de luz de baixa perda com um guia de onda de baixo índice de refração em um substrato de alto índice de refração. Os PICs operando sob o princípio BIC não requerem micro ou nanoestruturas de padronização no material fotônico funcional. Sem a exigência rigorosa de gravação de alta qualidade, muitos materiais de cristal único que exibem excelentes funcionalidades ópticas em massa podem agora ser introduzidos na plataforma fotônica integrada.
A acusto-óptica envolve o estudo das interações fóton-fóton com base nas mudanças no índice de refração de um meio devido à presença de ondas acústicas nesse meio. Ondas acústicas de superfície (SAWs) que se propagam em superfícies de um material piezoelétrico de película fina podem ser confinadas em uma espessura menor que o comprimento de onda acústica, produzindo fônons com densidade muito alta na região próxima à superfície. A pequena área modal acústica, que é comparável à área modal ótica, resulta em uma grande sobreposição entre os dois modos em guias de onda fotônicos. Portanto, Os SAWs podem ser usados para obter fortes interações acústico-ópticas em dispositivos nanofotônicos.
Niobato de lítio (LiNbO 3 ) é uma plataforma ideal para pesquisas sobre interações fóton-fóton porque tem grandes coeficientes piezoelétricos e é opticamente transparente em uma ampla faixa de comprimento de onda. Ele pode ser usado para gerar SAWs de forma eficiente e suportar cavidades fotônicas com fatores de alta qualidade. Como os PICs operando sob o mecanismo BIC permitem a seleção flexível de materiais piezoelétricos, LiNbO 3 pode ser adotado para fabricar microcavidades fotônicas de alta qualidade em um chip sem a necessidade de gravação.
(uma, b) Espectros S21 medidos para dispositivos com período de dedo do transdutor interdigital SAW Λ =2w (a) e Λ =2w / 3 (b). (c) Ilustração do processo de mistura de três ondas da luz de controle (ωc), luz de sonda (ωp), e SAW (ΩSAW). A frequência de ressonância da cavidade é ω0 com uma taxa de decaimento de κ. (d) Espectros de transmissão normalizados medidos da luz da sonda, mostrando as características de transparência e absorção eletroacústico-opticamente induzidas. Crédito:Zejie Yu e Xiankai Sun
Em um novo artigo publicado em Light:Ciência e Aplicações , pesquisadores da Universidade Chinesa de Hong Kong demonstraram uma microcavidade fotônica de alta qualidade baseada no mecanismo BIC, que foi integrado com um transdutor interdigital SAW monoliticamente em um LiNbO de filme fino 3 - plataforma sobre isolante. A cavidade foi construída simplesmente padronizando guias de onda de baixo índice de refração no LiNbO de alto índice de refração 3 substrato sem enfrentar o desafio da gravação de alta qualidade de LiNbO 3 .
Os dispositivos foram fabricados em um LiNbO de 400 nm 3 wafer -on-isolador com uma abordagem de nanofabricação de cima para baixo padrão. As ressonâncias ópticas da microcavidade fabricada da pista de corrida foram medidas, com o maior fator de qualidade óptica intrínseca chegando a ~ 500, 000. A modulação acústico-óptica dos modos ressonantes BIC da cavidade foi demonstrada pela primeira vez, com a frequência de modulação superior a 4 GHz. A combinação da alta frequência do SAW e da largura de linha sub-GHz da ressonância da cavidade permite o acoplamento acústico-óptico no regime de banda lateral resolvido, produzindo acoplamento coerente entre micro-ondas e fótons ópticos, como evidenciado pela transparência e absorção induzidas eletroacusto-opticamente observadas.
A característica única e principal vantagem do presente esquema é que, aproveitando a orientação de luz de baixa perda sob o mecanismo BIC, o monocristal LiNbO 3 camada está livre de corrosão, produzindo assim SAWs de comprimentos de onda acústicos uniformes e baixa perda de propagação acústica, que facilita o acoplamento fônon-fóton altamente eficiente. O forte acoplamento fônon-fóton obtido pode ser aproveitado para desenvolver uma ampla gama de aplicações fotônicas baseadas em espalhamento de Brillouin, incluindo linhas de atraso, armazenamento de luz, processamento de sinal de microondas, Lasers e amplificadores Brillouin, e transmissão de luz não recíproca. Adicionalmente, as ondas acústicas viajando aqui eram eletricamente excitadas, sendo muito mais forte do que aqueles estimulados por métodos ópticos. Usando um material piezoelétrico, não é necessário fabricar delicadas estruturas suspensas semelhantes às dos dispositivos convencionais baseados no espalhamento de Brillouin estimulado no chip. Portanto, nossos dispositivos demonstrados têm grande promessa de alcançar alto desempenho em aplicativos baseados no efeito Brillouin com uma arquitetura mais robusta.
