IEEE SiPhotonics2025 | 利用未悬空硅谐振器中的光力学相互作用

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引言

光力学是一个研究光波与机械波相互作用的领域。自2000年代初以来，研究人员对集成光力学器件产生了浓厚兴趣，因为这些器件在通信、传感、计量学和量子技术应用方面具有巨大潜力。这些相互作用是介电材料中最强的非线性效应之一，只需相对较低的泵浦功率即可激发[1]。

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光力学相互作用的基本原理

传统上，研究这些相互作用的领域主要有两个：布里渊散射和腔光力学。在布里渊散射中，光弹性等体效应主导相互作用，而腔光力学则主要受辐射压力的影响。然而，在微结构器件中，这两种效应变得相当，导致整体相互作用增强。

硅纳米器件在光力学应用方面特别有趣，这是由于其高折射率对比度、光模式的紧密限制以及光学模式与几何边界的显著重叠。这些特性显著放大了光力学效应。不幸的是，向二氧化硅下包层的强烈声子泄漏阻碍了这些效应的实验观察。

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传统方法及其局限性

在硅结构中实现强光力学相互作用的最常见方法是通过移除二氧化硅下包层来创建悬空结构。虽然有效，但这种方法有显著缺点。悬空设计使与其他光子和电子元件的共集成变得复杂，并且提供较差的功率和热管理能力。

因此，研究人员一直在寻找不需要悬空的替代方法。一些策略包括硅薄翅的几何软化、利用连续态中的束缚态来捕获声子和光子模式，以及在未释放的光力学腔中实现大波矢量机械模式。

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新方法：亚波长结构化

本文介绍的研究提出了一种利用亚波长结构化来调控机械泄漏的新策略。通过精心设计亚波长波导，研究人员可以消除向基底的机械辐射，有效地将声学模式限制在硅核心内。

图1：声学辐射模式图，显示(a)单个硅柱具有准全向的平面分布和正交平面中的三个波瓣，以及(b)两个具有π相移运动的相同硅柱，展示了减少声学泄漏的破坏性干涉。

为了理解亚波长波导中机械泄漏的机制，研究人员首先分析了单个柱子的机械辐射。他们观察到辐射剖面类似于具有准全向平面分布和正交平面中三个波瓣的天线，如图1a所示。

当考虑两个具有π相移运动的相同柱子时，每个柱子的机械辐射相互干涉破坏性地抵消，显著减少了声学泄漏（图1b）。研究人员优化了这些柱子的几何形状，以最大化电场的纵向分量——该分量通过强辐射压力与硅柱的纵向运动有效耦合。

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实验设计与结果

为了实现和测试这一概念，研究人员通过调制硅柱的宽度构建了一个纳米梁腔，以光学方式激发所需模式。这种布局如图2a所示，展示了通过调制硅柱宽度制作的硅光力学谐振器。

图2：实验表征，显示(a)通过调制硅柱宽度制作的硅光力学谐振器，(b)在1561.12 nm泵浦波长观察到的机械共振，以及(c)机械频率随失谐的变化及其与光力学弹簧效应的理论拟合。

腔的一阶光学模式展示了ω/2π = 192.14 THz的共振频率和测量质量因子Q ≈ 3.8 × 10^4 (κp/2π ≈ 5.01 GHz)。研究人员使用可调连续波激光泵浦腔，并使用快速光电二极管在射频域中记录泵浦与光力学产生的边带之间的拍频。所有测量均在大气压和室温下进行。

随着腔内功率增加，他们观察到频率约为Ω/2π = 660 MHz的几种机械模式的特征，如图2b所示。通过将频谱拟合为光力学相互作用的特征洛伦兹形状，他们估计机械线宽为γm/2π = 0.52 MHz。这是迄今为止在非悬空硅光力学谐振器中实现的最低耗散率，对应于机械质量因子Qm = Ωm/γm ≈ 1280，与最先进的悬空腔相当。

当研究人员减小泵浦与光学共振之间的失谐时，他们观察到由于光力学弹簧效应，机械频率增加。通过将频率动态拟合到理论模型（图2c），他们估计单光子光力学耦合率为g0/2π ≈ 108 ± 6 kHz。

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实验结果与模拟比较

实验结果与模拟显示了良好的一致性(Ωm/2π = 640 MHz, g0/2π = 80 kHz)。观察到的小差异可归因于影响光学和机械模式频率和场分布的制造缺陷。研究人员建议，未来制造工艺的改进将减少光学耗散率，有可能使用低光学输入功率实现声子激射。

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研究意义与未来展望

这项研究通过展示一种在不需要悬空的情况下有效限制硅波导中光学和机械模式的方法，为集成光力学领域带来了显著进展。亚波长图案化方法实现了声子辐射的调控，产生了令人印象深刻的低声学耗散率。

使用纳米梁腔的实验验证方法展示了频率约为Ωm/2π = 660 MHz的机械模式，其声学耗散率低至γm/2π = 0.52 MHz。此外，研究人员还证明了辐射压力主导的光力学耦合率为g0/2π = 108 kHz。

这些结果为开发集成光力学器件提供了新的可能性，与传统悬空结构相比，这些器件更容易与其他光子和电子元件共集成，同时提供更好的功率和热管理能力。这种方法可能导致光力学相互作用在通信、传感、计量学和量子技术中的更实用应用。

yikao

硅光力学谐振器

小小庄稼汉

看的很迷糊呀

yikao11

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天哥GG

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