Frequency comb generation in low-loss, low-stress, high-Q deuterated silicon nitride microring resonators in an 8-inch photonics platform
本文系统研究不同SiN薄膜损耗，发现氘化SiN可在8英寸低热预算工艺下实现超低损耗，并在高Q微环中演示频率梳用于25.78 GBaud/s直接检测传输，误码率低于FEC极限。
2025-07-23 physics.app-ph physics.optics
Photonic light trapping in silicon nanowire arrays: deriving and overcoming the physical limitations
与硅（Si）薄膜相比，受阻对准的独立式硅纳米线（SiNW）阵列用作光子谐振器，其不仅吸收更多的可见光（VIS）和近红外（NIR）光，而且还显示出增强其作为太阳能吸收器的性能的固有光子光集中。使用数值模拟，我们显示，如何诱导光的浓度由高光学截面的个别硅纳米线，但不能独立的硅纳米线阵列的吸收优化。虽然存在理想的空间密度，其中SiNW阵列对VIS和NIR波长的吸收达到最大值，但阵列中SiNW的空间相关性抑制了导致光集中的光学Mie模式的形成。我们发现，与直侧壁的硅纳米线不同，倒置硅纳米锥（SiNC）阵列允许避免模式抑制。事实上，它们产生了一组改变的光子模式，这是由阵列中SiNC的空间相关性引起的，因此显示出更高的自由度来独立地优化光吸收和光集中。除了解释良好的光吸收和聚集性能的SiNC阵列，工作证明了重估的硅纳米线阵列作为光吸收体。
2016-05-16 physics.optics
A high-Q, ultrathin-walled microbubble resonator for aerostatic pressure sensing
基于回音壁谐振器的传感器具有微小的足迹，可以将可实现的灵敏度和分辨率推向极限。在这里，我们使用的微泡谐振器，与壁厚为500 nm和固有的Q-因子的$10^7$在电信C波段，调查空气静压传感通过应力和应变的材料。使用聚焦到微毛细管上的两个反向传播CO $_2$激光束来制造微泡。在1.55 $μ$ m处测得的灵敏度为19 GHz/bar。我们表明，这可以进一步提高到38 GHz/巴时，在780 nm波长范围内进行测试。在这种情况下，压力感测的分辨率可以达到0.17 mbar，Q因子高于$5\times10^7$。
2016-01-07 physics.optics
High-precision spectral tuning of micro and nanophotonic cavities by resonantly enhanced photoelectrochemical etching
我们提出了一种简单的方法来调整光学微腔和纳米腔的谐振波长与皮米精度，对应于一个有效的亚原子单层控制腔的尺寸。这是通过共振光电化学蚀刻，与现场监测的光谱。我们采用这种技术，以永久的方式，克服了目前的纳米纤维技术所造成的尺寸变化，光谱对准的合奏谐振腔。在包含几个谐振器的器件中，每个谐振器被单独寻址和调谐，而没有光学品质因数劣化。该技术是通用的，并开辟了多种应用的道路，如直接制造相同的耦合谐振器的网络，或基于芯片的腔调谐到外部参考。
2015-11-19 physics.optics
Overcoming the indirect bandgap: efficient silicon emission via momentum-expanded photonic states
University of California, Irvine（加州大学尔湾分校）；Tel Aviv University（特拉维夫大学）；Swiss Federal Institute of Technology, EPFL（瑞士联邦理工学院（EPFL））
针对硅间接带隙限制辐射效率的问题，本文提出在体硅片表面修饰金或铜纳米颗粒的可扩展方法，通过形成宽化动量分布的受限光子态实现强宽带发光，量子效率与直接带隙半导体相当，集成光谱强度提升10^5倍。
2025-11-12 physics.optics
High frequency electro-optic measurement of strained silicon racetrack resonators
应变硅波导中电光效应的观察被认为是材料中诱导的$χ^{(2)}$非线性的直接表现。在这项工作中，我们进行应变硅跑道谐振器的高频测量。通过波导的机械变形来控制应变。结果表明，任何光调制消失时，所施加的应变，所施加的电压变化快得多的载流子的有效寿命时，所施加的应变独立，并且DC调制也在很大程度上是独立的。这表明，等离子体载流子的色散是负责观察到的电光效应。在标准化自由载流子效应后，我们的结果设置了一个上限的$8\,pm/V$的诱导高速$χ^{(2)}_{eff,zzz}$张量元素在施加的应力$-0.5\,GPa$。这个上限是约一个数量级低于先前报道的静态电光测量值。
2015-09-17 physics.optics
Hybrid Integrated Photonics Using Bulk Acoustic Resonators
微波频率的声光调制是通过激发光子堆中的高泛音体声波谐振（HBAR谐振）来实现的。这些受限的机械应力波传输表现出垂直传输的、高品质因数（Q）的声学法布里-珀罗谐振，其延伸到千兆赫域中，并且提供与微谐振器的光学模式的应力-光学相互作用。虽然HBAR在现代通信中无处不在，并且经常在超导电路中使用，但这是第一次将它们集成到基于光子电路的芯片上。在光学模式内观察到的电-声-光相互作用表现出高致动线性度、低致动功率和可忽略的串扰。利用电-声-光相互作用，实现了亚纳秒转导时间的快速光学谐振调谐。通过去除硅背反射，实现了4.1和8.7 GHz的宽带声调制，3 dB带宽分别为250 MHz。这里展示的新型混合HBAR纳米光子平台允许在芯片上集成微米级声学和光子谐振器，可以立即应用于可调谐微波光子学，高带宽孤子微梳稳定，紧凑型光电振荡器以及微波到光学转换方案。此外，混合平台允许实现动量偏置，这允许实现芯片上的非互易器件，例如隔离器或循环器和拓扑光子带结构。
2019-07-23 physics.app-ph physics.optics
Morphological tracking and tuning of silica NPs for stable levitation in vacuum optomechanical systems
针对真空光机械系统中 silica NPs 难以存活的问题，本研究通过热处理释放杂质并监测物理化学性质，揭示了激光加热导致铅释放引起的运动不稳定性是损失机制，显著提升了高真空悬浮比例，为悬浮纳米谐振器的广泛应用和原位研究小颗粒提供了新途径。
2023-04-01 physics.optics
High Q-Factor Silicon Nitride Nanomechanical Resonators Fabricated by Maskless Femtosecond Laser Micro-machining
独立式氮化硅（SiN）器件是纳米机械谐振器领域以及诸如透射电子成像和纳米孔生物测定等其他技术应用的核心。用于制造这些器件的纳米纤维技术通常缺乏灵活性。虽然光刻需要为每个新的设计迭代印刷昂贵的光掩模，但电子束光刻非常慢并且需要高的设备成本。在这里，我们展示了无掩模快速原型制作的独立SiN纳米机械谐振器的飞秒激光烧蚀的平面SiN膜在环境空气中。我们制造了7到100 μ m不同宽度的微梁，并表征了它们的谐振频率和机械质量（Q）因子。我们发现，膜开裂可以避免在制造过程中，通过仔细设计的蚀刻图案，激光蚀刻有一个可以忽略不计的内置的拉伸应力的影响。对于每个光束，Q-因子测量几个本征模，并发现激光蚀刻后保持高。所有梁显示大于105的品质因数，而未蚀刻的普通膜具有Q > 106。确定了Q因子降低的可能原因，以及未来的工艺改进方向。
2022-10-01 physics.app-ph physics.optics
Sub-kHz-linewidth external-cavity laser (ECL) with Si$_{3}$N$_{4}$ resonator used as a tunable pump for a Kerr frequency comb
Karlsruhe Institute of Technology (KIT)（卡尔斯鲁厄理工学院）；LioniX International B.V.（LioniX国际有限公司）；École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL)（洛桑联邦理工学院）；Vanguard Automation GmbH（先锋自动化有限公司）；Deeplight S.A.（Deeplight股份有限公司）
将直接带隙III-V材料中的光学增益与先进光子集成电路提供的可调谐光学反馈相结合，是芯片级外腔激光器（ECL）的关键，可提供宽带可调谐性和低光学线宽。外部反馈电路可以使用低损耗氮化硅（Si $_{3}$ N $_{4}$）波导来有效地实现，其不遭受双光子吸收并且因此可以处理比常规硅光子高得多的功率电平。然而，将基于III-V族的增益元件与可调谐外部反馈电路共同集成在芯片级模块中仍然是一个挑战，需要技术要求苛刻的异构集成技术或昂贵的高精度多芯片组装。在这项工作中，我们展示了Si $_{3}$ N $_{4}$为基础的混合集成ECL，利用3D打印的结构，如腔内光子引线键合和小平面附加微透镜的低损耗光学耦合与宽松的对准公差，从而克服了需要主动对准，同时保持多芯片集成技术的充分灵活性。在一个概念验证实验中，我们展示了一个ECL提供了一个90 nm的调谐范围（1480 nm - 1570 nm），片上输出功率超过12 dBm和边模抑制比高达59 dB。我们实现了979 Hz的固有线宽，这是报告的可比反馈架构的最低值之一。III-V增益元件和基于Si $_{3}$ N $_{4}$的可调谐反馈电路之间的腔内光子引线键合的光学损耗总计约为（1.6 $\pm$ 0.2）dB。我们使用的ECL作为一个可调谐泵浦激光器产生一个耗散克尔孤子频率梳。据我们所知，我们的实验代表了第一次演示的单孤子克尔梳产生…
2023-02-10 physics.optics
Photonic Theta Cavity: Engineering Bound States in the Continuum in Topological Resonators Beyond the Limitations of Near Field Coupling
Howard University（霍华德大学）；University of Maryland（马里兰大学）
研究光子θ腔，利用干涉耦合克服近场耦合限制，通过镜对称交叉结建立器件物理，实现强腔限制和BICs。展示嵌套θ腔中多环谐振器的相位介导远程强耦合及能带结构杂交，提供可扩展、拓扑稳健的模式工程平台。
2026-07-14 physics.app-ph physics.optics
Laser micromachining of arbitrarily complex and overhang-free SiN nanomechanical resonators
本文提出一种从 GDSII 自动生成激光烧蚀孔序列的开源工具，可在 1 小时内无悬突地快速制造任意复杂 SiN 纳米机械谐振器，品质因数高达 3.7×10^6。
2025-07-24 physics.app-ph physics.optics
Dissipation engineering of high-stress silicon nitride nanobeams
高应力Si $_3$ N $_4$纳米谐振器已经成为电和光机械器件的有吸引力的选择。膜谐振器可以实现超过$10^{13}$ Hz的品质因数（$Q$）-频率（$f$）乘积，从而（原则上）实现室温下的量子相干操作。弦状梁谐振器通常具有小10倍的$Q\cdot f$产品;然而，由于其大得多的$Q$质量比和降低的模式密度，它们仍然是精确力、质量和电荷感测的典型选择，并且最近在低温下实现了海森堡限制位置测量。在这里，我们探讨两种技术，以提高$Q$ -因素的纳米机械梁。该技术涉及两种主要损耗机制：内部损耗，其在大纵横比和$f\lesssim100$ MHz下占主导地位;以及辐射损耗，其在小纵横比和$f\gtrsim100$ MHz下占主导地位。首先，我们表明，通过在一维声子晶体中嵌入纳米梁，可以使其弯曲运动局部化并屏蔽辐射损失。利用这种方法，我们实现了具有$Q\sim 10^4$的$f>100$ MHz模式，与内部损耗一致，并与类似尺寸的未屏蔽光束形成鲜明对比。然后，我们研究了毫米长的纳米梁的高阶模式的$Q\cdot f$产品。利用应力引起的“损耗-稀释”的模式形状依赖性，我们实现了具有$Q\cdot f\approx9\cdot 10^{12}$ Hz的$f\approx 4$ MHz模式。我们的结果可以将室温量子相干操作推广到超低质量一维纳米机械振荡器。
2016-03-04 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Mechanical mode imaging of a high-Q hybrid hBN/Si$_3$N$_4$ resonator
我们的图像和表征的2D鼓谐振器的机械模式的hBN悬浮在高应力Si $_3$ N $_4$膜。我们的测量表明hBN谐振器和Si $_3$ N $_4$膜的各种模式之间的杂交。测得的谐振频率和空间分布的模式是一致的有限元模拟的基础上的理想化的几何形状。热运动的光谱显示，根据与较重和较高品质因数的Si $_3$ N $_4$膜的模式的杂化程度，hBN鼓模式的品质因数和运动质量可以移动数量级。这种效应可以被利用来设计混合鼓/膜模式，其将2D材料的低运动质量与Si $_3$ N $_4$膜的高品质因数相结合，用于光学机械或传感应用。
2023-01-10 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
High-Q trampoline resonators from strained crystalline InGaP for integrated free-space optomechanics
本研究展示了基于拉伸应变结晶InGaP的弦和蹦床谐振器，通过应变工程在室温下实现超过10^7的机械品质因子和高达7·10^11 Hz的Q·f乘积，为室温集成自由空间量子光力学铺平道路。
2023-07-02 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Nonlinear Mode Coupling in Silicon Nitride Membrane Resonators
Indian Institute of Science Education and Research Bhopal（印度科学教育研究所博帕尔分校）；Indian Institute of Science（印度科学学院）
本研究通过实验和理论建模揭示了硅氮膜谐振器中非线性模耦合的机制，展示了其在多模频率调谐和机械转换中的应用潜力。
2026-03-09 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.optics
Kerr-optomechanical spectroscopy of multimode diamond resonators
本研究对金刚石微盘进行宽带光机械光谱分析，观察到频率高达10 GHz的高品质因子机械模式，并通过Fano干涉估计其光机械耦合超过10 kHz，结合高每声子应力，表明其适用于高频多模光机械和自旋-光机械耦合。
2023-06-17 physics.optics quant-ph
Extracting Membrane-like hexagonal Boron Nitride hosting single Defect Centers for Resonator Integration
本文开发纳米操控工具，从市售 hBN 中提取含窄线宽单光子发射体的膜状结构，并耦合 FPFC，在室温实现最高100倍光谱增强。
2025-08-31 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Predictive Model for the Dissipation Dilution of Soft-Clamped Modes in Polygon Resonators
Quantum Science Center of Guangdong-Hong Kong-Macao Greater Bay Area（粤港澳大湾区量子科学中心）；Modern Matter Laboratory and Advanced Materials Thrust, The Hong Kong University of Science and Technology (Guangzhou)（香港科技大学（广州）现代物质实验室与先进材料部门）
本文提出了一种预测多边形谐振器共振频率和损耗稀释因子的分析框架，通过引入张应力扩展Timoshenko-Gere方程，揭示了损耗随λ²衰减的特性，并通过有限元模拟验证了其预测能力。
2026-07-21 physics.app-ph physics.optics quant-ph
Strain engineering for ultra-coherent nanomechanical oscillators
弹性应变工程利用应力来实现不寻常的材料特性。例如，应变可以用来增强半导体的电子迁移率，从而实现更高效的太阳能电池和更小、更快的晶体管。在纳米力学的背景下，追求具有超高相干性的谐振器导致了对互补应变工程技术“耗散稀释”的深入研究，从而有效地增加了材料的刚度而没有增加损耗。耗散稀释是已知的Si $_3$ N $_4$纳米机械谐振器，包括最近开发的“软箝位”谐振器的极高Q因子的基础;然而，迄今为止，该范例依赖于材料合成过程中产生的弱应变。相比之下，几何应变工程技术的使用-能够产生接近材料屈服强度的局部应力-仍然在很大程度上未被探索。在这里，我们表明，几何应变结合软箝位可以产生前所未有的高Q纳米机械谐振器。具体而言，使用空间上不均匀的声子晶体图案，我们共定位的应变和弯曲运动的Si $_3$ N $_4$纳米梁，同时增加前者附近的屈服强度。这种组合策略产生弦状模式，室温Q $\times$频率产品接近$10^{15}$ Hz，对于任何尺寸的机械振荡器都是前所未有的值。我们研究的器件可以具有aN/rtHz的力灵敏度，在室温下执行数百次量子相干振荡，并且在射频下达到Q > 4亿。这些结果标志着纳米力学耗散控制的范式转变，影响范围从精密力显微镜到量子引力测试。将报道的方法与晶体或2D材料相结合可能会导致进一步的改进，但仍有未知的局限性。
2017-11-16 cond-mat.mes-hall physics.optics quant-ph
Silicon-nitride nanosensors toward room temperature quantum optomechanics
近年来，通过一些基于腔光学力学的实验，实现了对低温光学冷却机械谐振器中量子现象的观察。一个完善的实验平台是基于薄膜化学计量（$ Si_3 N_4 $）纳米膜嵌入在法布里-珀罗腔，其中与光场的耦合是由光照射在膜表面上的辐射压力提供。必须优化两个关键参数以确保这些系统在量子水平上工作：描述光机械耦合的协同性$ C$和与退相干率相关的产品$ Q \times ν$（品质因数-共振频率）。后者的显着增加，可以获得高纵横比膜谐振器均匀的应力稀释的机械耗散。此外，超高$Q \times ν$可以通过箝位锥形和/或软箝位（实际上是无箝位谐振器配置）大幅降低边缘耗散来实现。在这项工作中，我们调查，理论和实验，边缘损耗机制比较两个国家的最先进的谐振器由标准的微/纳米加工技术。相应的结果将为设计新的超相干谐振器件提供有意义的指导。
2021-04-29 physics.optics quant-ph
Silicon nitride stress-optic microresonator modulator for optical control applications
氮化硅集成平台已经成功地实现了从可见光到红外线的极低波导损耗，以及包括高性能激光器、滤波器、谐振器、稳定腔和光学频率梳在内的组件。然而，在氮化硅平台中实现低损耗、低功率调制器同时保持平面、晶片级工艺兼容性的进展受到限制。在这里，我们报告了一个显着的进步，集成的压电（PZT）驱动的微环调制在全平面，晶圆级氮化硅平台，保持低的光损耗（在625 μ m谐振器中为0.03 dB/cm），其带宽增加了一个数量级（DC到20 MHz 3-dB），并且与现有PZT调制器相比，功耗降低了20 nW的数量级。该调制器在整个4 GHz调谐范围内提供>14 dB ER和710万Q，调谐效率为200 MHz/V，并提供控制应用所需的线性度，在1 MHz和10 MHz时IMD 3 SFDR分别为65.1 dBHz 2/3和73.8 dBHz 2/3。我们演示了两个控制应用，激光稳定在PDH锁定环，减少激光频率噪声40分贝，并作为激光载波跟踪滤波器。这种PZT调制器设计可以在超低损耗氮化硅平台中扩展到可见光，只需对波导设计进行微小的更改。PZT调制在超低损耗氮化硅波导平台中的这种集成使得调制器控制功能能够广泛应用于可见光到红外应用，例如用于冷却的原子和分子跃迁锁定、可控光学频率梳、低功率外腔可调谐激光器、原子钟以及可调谐超低线宽激光器和超低相位噪声微波合成器。
2022-06-18 physics.app-ph physics.ins-det physics.optics
Suspended photonic crystal membranes in AlGaAs heterostructures for integrated multi-element optomechanics
我们提出了高反射率的机械谐振器制作的AlGaAs异质结用于在电信波长制度的自由空间光学腔。机械谐振器制造在GaAs板中，并用光子晶体图案化以增加其面外反射率。机械模式的表征揭示了GaAs器件层中的残余拉伸应力。这种应力导致比未受应力的GaAs更高的机械频率，并且可以用于机械耗散的应变工程。同时，我们发现入射光束的有限束腰导致了反射光谱的下降。该特征源于与光子晶体的引导共振的耦合，这是在设计有限尺寸的板时必须考虑的效应。这里展示的单层和亚$\upmu$ m间距双层板可以直接在同一材料平台上的分布式布拉格反射镜的顶部上制造。该平台为在芯片上实现集成多元件腔光机器件和光机微腔开辟了一条途径。
2020-08-28 physics.app-ph physics.optics quant-ph
High-Stress Si3N4 Reflective Membranes Monolithically Integrated with Cavity Bragg Mirrors
Delft University of Technology（代尔夫特理工大学）
本研究提出了一种高应力Si3N4反射膜与腔体布拉格镜单片集成方法，实现了高Q因子的光力学器件，适用于精密传感和量子光子学。
2026-03-03 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
