Photonics Research封面故事:超低閾值聲子雷射

Photon. Res.封面故事

南京大學姜校順副教授和肖敏教授領導的研究組通過利用一種新的樣品製備和耦合的方案，演示了同時具有高的光學品質因子和力學品質因子的耦合微腔系統，並基於此系統實現了超低閾值的聲子雷射。

隨著腔光力學的快速發展，近來聲子雷射（作為光學雷射在聲學上的一種類比）已經在一些平臺（包括單個或耦合回音壁模光學微腔）中得以實現。與單腔聲子雷射相比，耦合微腔聲子雷射表現出許多突出的特點，如低閾值、對環境噪聲不敏感等。此外，耦合微腔也不需要顯著地增加器件的尺寸來產生或調節其精細的能級間隔，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芯腔分別製備在兩片矽片的邊沿上來構建可調的耦合微腔系統並實現了聲子雷射。然而這樣的一種樣品製備方案很難得到極細且中心對稱的支撐矽柱，因為它很難保證矽的各向同性刻蝕。而各項異性刻蝕不但會降低微環芯腔的力學品質因子，其所導致的矽柱的缺陷還將嚴重影響到微環芯腔的力學模式，從而在其力學模式的噪聲譜引入一些諧波峰。

為了實現同時具有光學和力學優異性能的耦合微腔系統，最近南京大學固體微結構國家實驗室的姜校順副教授和肖敏教授所領導的研究組通過利用一種新的樣品製備和耦合的方案，演示了同時具有高的光學品質因子和力學品質因子的耦合微腔系統，並基於此系統實現了超低閾值的聲子雷射。相關研究成果發表在Photonics Research 2017年第5卷第2期上。

圖1 真空環境中基於耦合微腔系統的超低閾值聲子雷射方案

在此工作中，耦合微腔系統包含一個倒置的微環芯腔和一個由極細矽柱支撐的微環芯腔。 倒置的微環芯腔被製備在矽片的角上，另一個微環芯腔則經過了一次額外的XeF2刻蝕以得到極細的矽柱。將整個耦合微腔系統放置到超高真空系統中，實驗獲得了力學品質因子高達18,000的徑向呼吸模（頻率為59.2 MHz）。通過精細地調節系統的各項參數，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於徑向呼吸模式力學頻率的超模，將抽運雷射通過波長計鎖頻在藍失諧超模上從而激發聲子雷射。實驗測得的聲子雷射閾值低至1.2 W。

這樣一個片上的耦合微腔系統在很多方面有著應用潛力，如多模腔光力學冷卻、多模光力誘導透明、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 Research5, 73-76 (2017).

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