铌酸锂因其宽广的透光窗口（从紫外到中红外波段）和较大的二阶非线性极化率而在非线性频率转换中受到广泛关注。一种名为“绝缘体上的锂铌酸”（LNOI）的新平台，具有高折射率对比，已成功用于微纳米尺度器件的制造。然而，其纳米结构通常难以刻蚀，无法形成陡峭的侧壁、大的刻蚀深度，导致二次谐波产生时共振Q因子较低，并且纳米结构存在较大的损耗。连续谱中的束缚态（BIC）为研究人员提供了一个平台，通过将BIC转化为准BIC并通过精密的几何设计实现较大的可调性，从而获得尖锐的电磁共振。BIC的有效模体积比其他光子结构（如光子晶体缺陷腔和耳语廊模式微腔）大，但其无法通过外部源直接获得。因此，迫切需要触发BIC到可访问共振的过渡，即准BIC，具有较大但有限的Q因子，这对于制造能够利用BIC模式功能的实际器件至关重要。对于这些使用易于刻蚀材料（如Si和Si3N4）制备的纳米结构，可以通过直接制造对称破缺的纳米结构实现BIC过渡到高Q共振。然而，通过引入样品制造中的缺陷和改变激发角度，可以将由对称纳米结构支持的BIC转变为高Q共振，这两种方法对于难以刻蚀的材料（如LNOI）来说是可行的实际途径。本文通过应用连续域束缚态的概念，对高Q共振的无刻蚀薄膜铌酸锂进行了理论和实验研究，研究内容包括在薄膜上方有SiO2纳米结构，用于实现高效的二次谐波产生。在制造的纳米结构器件中，通过测量角分辨透射，确认了作为准BIC模式的高Q共振，它是从BIC模式转变而来，Q因子为980的共振导致二次谐波产生的增强。创新点一是为了在非线性纳米光子学中实现器件的微型化和紧凑化，结合异质结构利用BIC机制，成为开发高Q共振的无刻蚀LNOI平台必要的替代方法。文章结论为LNOI薄膜中的局部化和强增强的电磁场可以实现二次谐波生成（SHG）强度超过1500倍的增强，尽管泵浦略微偏离了中心共振，但当基础泵浦峰值强度为44.65 MW/cm²时，可以实现6.87×10⁻⁷的绝对转换效率，从而贡献出1.54×10⁻⁵ cm²/GW的归一化转换效率，展示了高Q因子的无刻蚀LNOI异质纳米结构的实验潜力。启发在于对于较难刻蚀的材料而言，可将无刻蚀LNOI异质结构方案应用于非线性转换、太赫兹生成、量子纠缠和量子信息处理等多个领域。
文献来源: Science China Physics, Mechanics & Astronomy, 2022, 65(10): 104211.
DOI: 10.1007/s11433-022-1937-8
作者：Zhijin Huang, Kaiwen Luo, Ziwei Feng, Zhanyuan Zhang, Yang Li, Wentao Qiu, Heyuan Guan, Yi Xu, Xiangping Li & Huihui Lu
报告人：常文瑶
