南京大學(xué)姜校順副教授和肖敏教授領(lǐng)導(dǎo)的研究組通過利用一種新的樣品制備和耦合的方案，演示了同時具有高的光學(xué)品質(zhì)因子和力學(xué)品質(zhì)因子的耦合微腔系統(tǒng)，并基于此系統(tǒng)實現(xiàn)了超低閾值的聲子激光。
隨著腔光力學(xué)的快速發(fā)展，近來聲子激光（作為光學(xué)激光在聲學(xué)上的一種類比）已經(jīng)在一些平臺（包括單個或耦合回音壁模光學(xué)微腔）中得以實現(xiàn)。與單腔聲子激光相比，耦合微腔聲子激光表現(xiàn)出許多突出的特點，如低閾值、對環(huán)境噪聲不敏感等。此外，耦合微腔也不需要顯著地增加器件的尺寸來產(chǎn)生或調(diào)節(jié)其精細(xì)的能級間隔，同時對光力耦合強度幾乎沒有影響。
之前的工作通過將微環(huán)芯腔分別制備在兩片硅片的邊沿上來構(gòu)建可調(diào)的耦合微腔系統(tǒng)并實現(xiàn)了聲子激光。然而這樣的一種樣品制備方案很難得到極細(xì)且中心對稱的支撐硅柱，因為它很難保證硅的各向同性刻蝕。而各項異性刻蝕不但會降低微環(huán)芯腔的力學(xué)品質(zhì)因子，其所導(dǎo)致的硅柱的缺陷還將嚴(yán)重影響到微環(huán)芯腔的力學(xué)模式，從而在其力學(xué)模式的噪聲譜引入一些諧波峰。
為了實現(xiàn)同時具有光學(xué)和力學(xué)優(yōu)異性能的耦合微腔系統(tǒng)，最近南京大學(xué)固體微結(jié)構(gòu)國家實驗室的姜校順副教授和肖敏教授所領(lǐng)導(dǎo)的研究組通過利用一種新的樣品制備和耦合的方案，演示了同時具有高的光學(xué)品質(zhì)因子和力學(xué)品質(zhì)因子的耦合微腔系統(tǒng)，并基于此系統(tǒng)實現(xiàn)了超低閾值的聲子激光。相關(guān)研究成果發(fā)表在Photonics Research 2017年第5卷第2期上。
圖1 真空環(huán)境中基于耦合微腔系統(tǒng)的超低閾值聲子激光方案
在此工作中，耦合微腔系統(tǒng)包含一個倒置的微環(huán)芯腔和一個由極細(xì)硅柱支撐的微環(huán)芯腔。 倒置的微環(huán)芯腔被制備在硅片的角上，另一個微環(huán)芯腔則經(jīng)過了一次額外的XeF2刻蝕以得到極細(xì)的硅柱。將整個耦合微腔系統(tǒng)放置到超高真空系統(tǒng)中，實驗獲得了力學(xué)品質(zhì)因子高達(dá)18,000的徑向呼吸模（頻率為59.2 MHz）。通過精細(xì)地調(diào)節(jié)系統(tǒng)的各項參數(shù)，如微腔的相對位置、各自的溫度等，可以得到一個模式劈裂等于徑向呼吸模式力學(xué)頻率的超模，將抽運激光通過波長計鎖頻在藍(lán)失諧超模上從而激發(fā)聲子激光。實驗測得的聲子激光閾值低至1.2 µW。
這樣一個片上的耦合微腔系統(tǒng)在很多方面有著應(yīng)用潛力，如多模腔光力學(xué)冷卻、多模光力誘導(dǎo)透明、可尋址的量子信息處理等。
論文信息：G. Wang, et al., Demonstration of an ultra-low-threshold phonon laser with coupled microtoroid resonators in vacuum, Photonics Research 5, 73-76 (2017).
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