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Sep 28, 2023

Scientific Reports Band 5, Artikelnummer: 17005 (2015) Diesen Artikel zitieren

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Siliziumkarbid (SiC) weist hervorragende Materialeigenschaften auf, die für breite Anwendungen attraktiv sind. Wir demonstrieren die ersten optomechanischen Mikroresonatoren aus SiC, die eine hohe mechanische Frequenz, hohe mechanische Qualität und hohe optische Qualität in einem einzigen Gerät vereinen. Der radial atmende mechanische Modus hat eine mechanische Frequenz von bis zu 1,69 GHz mit einem mechanischen Q von etwa 5500 in der Atmosphäre, was einem fm · Qm-Produkt von bis zu 9,47 × 1012 Hz entspricht. Die starke optomechanische Kopplung ermöglicht es uns, die kohärente mechanische Schwingung durch optische Wellen effizient anzuregen und zu untersuchen. Die vorgestellten Geräte zeigen in Kombination mit den überlegenen thermischen Eigenschaften, der chemischen Inertheit und den Defekteigenschaften von SiC ein großes Potenzial für Anwendungen in der Messtechnik, Sensorik und Quantenphotonik, insbesondere in rauen Umgebungen, die für andere Geräteplattformen eine Herausforderung darstellen.

Optomechanische Resonatoren koppeln optische Hohlräume und mechanische Resonatoren gegenseitig durch optomechanische Wechselwirkungen, die durch die Strahlungsdruckkräfte vermittelt werden. Aufgrund der außergewöhnlichen Fähigkeit, mesoskopische mechanische Bewegungen bis auf die Ebene einzelner Quanten zu untersuchen und zu steuern, wurden mikro-/nanooptomechanische Resonatoren in den letzten Jahren intensiv untersucht und sind vielversprechend für breite Anwendungen in der Sensorik, Informationsverarbeitung, Zeit-/Frequenzmesstechnik und Quantenphysik1 ,2,3,4,5,6. Bisher wurden verschiedene optomechanische Strukturen6 auf einer Vielzahl von Materialplattformen entwickelt, darunter Siliziumdioxid7, Siliziumnitrid8, Silizium9, Galliumarsenid10, Aluminiumnitrid11, Diamant12, Phosphosilikatglas13 und Galliumphosphid14. Im Allgemeinen hängt die Optomechanik des Hohlraums entscheidend vom zugrunde liegenden Material des Geräts ab und erfordert nicht nur eine hohe optische Transparenz und einen großen Brechungsindex zur Unterstützung der hochwertigen und stark begrenzten optischen Modi, sondern auch eine große Schallgeschwindigkeit und eine geringe Materialdämpfung zur Unterstützung der hohen Frequenz und hochwertige mechanische Resonanzen.

Siliziumkarbid (SiC) ist bekannt für seine hervorragenden thermischen, optischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften15 und findet breite Anwendung in der Hochleistungselektronik, mikromechanischen Sensoren, biomedizinischen Geräten und astronomischen Teleskopen16,17,18. In den letzten Jahren wurden erhebliche Anstrengungen unternommen, um mikro-/nanophotonische Geräte auf SiC-Basis zu entwickeln19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30, die vor allem von ihren nichtlinearen optischen Eigenschaften angezogen wurden26 ,28 und Fehlermerkmale31,32. Andererseits zeigen neuere theoretische Studien33,34,35, dass SiC eine intrinsische mechanische Qualität aufweist, die anderen Materialien deutlich überlegen ist, mit einem theoretischen Frequenz-Qualitätsprodukt (fm ⋅ Qm) von ~3 × 1014 bei Raumtemperatur aufgrund seiner außergewöhnlich niedrigen Temperatur Phonon-Phonon-Streuung, die den intrinsischen mechanischen Verlust im Mikrowellenfrequenzbereich dominiert. Die hohe intrinsische mechanische Qualität zusammen mit den hervorragenden optischen Eigenschaften machen SiC zu einer hervorragenden Materialplattform für optomechanische Anwendungen. Leider stellen die überlegene mechanische Steifigkeit und chemische Inertheit von SiC eine erhebliche Herausforderung bei der Herstellung mikro-/nanophotonischer Geräte mit hohen optischen und mechanischen Qualitäten dar, was die Realisierung optomechanischer Funktionalitäten auf der SiC-Plattform erheblich behindert.

In diesem Brief stellen wir die ersten optomechanischen Mikroresonatoren aus SiC vor, die eine signifikante optomechanische Kopplung mit einem Koeffizienten von bis zu |gom|/2π ≈ (61 ± 8) GHz/nm aufweisen, was es uns ermöglicht, die mesoskopischen mechanischen Bewegungen effizient durch optische Elemente auszulösen und zu charakterisieren bedeutet. Durch die Optimierung der Gerätestruktur und des Herstellungsprozesses sind wir in der Lage, gleichzeitig eine hohe optische Qualität, eine große mechanische Frequenz und eine hohe mechanische Qualität in einem einzigen Gerät zu erreichen. Die Flüstergalerie-Modi weisen hohe optische Qualitäten um ~3,8 × 104 auf. Die radial atmenden mechanischen Modi zeigen Frequenzen bis zu 1,69 GHz und mechanische Qualitäten um 5500. Das entsprechende fm ⋅ Qm-Produkt beträgt 9,47 × 1012, was den höchsten Wert für darstellt der grundlegende akustische Massenmodus in SiC, der nach unserem besten Wissen bisher nachgewiesen wurde36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47.

Die hohe Leistung der demonstrierten optomechanischen Mikroresonatoren zeigt, dass SiC-Geräte nun für breite optomechanische Anwendungen bereit sind. Aufgrund der überlegenen thermischen und chemischen Eigenschaften des SiC-Materials15 sind optomechanische SiC-Geräte besonders attraktiv für die optomechanische Erfassung wie Verschiebung, Kraft, Masse und Trägheitserfassung, insbesondere in rauen Umgebungen, die für andere Geräteplattformen eine Herausforderung darstellen. Andererseits sind die optomechanischen Mikroresonatoren von SiC in Kombination mit den erheblichen optischen Nichtlinearitäten von SiC26,28 und den einzigartigen Defekteigenschaften31,32 vielversprechend für die Realisierung hybrider mikro-/nanophotonischer Schaltkreise für Nanooptomechanik, integrierte nichtlineare Photonik und Quantenphotonik.

Bei den von uns eingesetzten Geräten handelt es sich um kubische (3C) Siliziumkarbid (SiC)-Mikroresonatoren, die auf Siliziumsockeln sitzen. Der Geräteherstellungsprozess wird in Methoden beschrieben. Abbildung 1(a) zeigt die hergestellten Geräte mit unterschiedlichen Radien mit glatten Seitenwänden und fein kontrollierten Hinterschneidungen. Der Herstellungsprozess ist optimiert, um glatte Seitenwände zu erzeugen, die für die Minimierung des Streuverlusts der optischen Moden von entscheidender Bedeutung sind. Die Hinterschneidungen des Geräts sind optimiert, um den Klemmverlust zu reduzieren, was die mechanischen Eigenschaften der radialen Atmungsmodi verbessert.

(a) Das Rasterelektronenmikroskop-Bild (REM) zeigt die hergestellten 3C-SiC-Mikroscheiben mit unterschiedlichen Radien, die auf Siliziumsockeln sitzen. Der Sockel der kleinsten Mikroscheibe wird kritisch kontrolliert, um die mechanische Qualität des Radialatmungsmodus zu optimieren. Die kleinste Mikroscheibe ist aufgrund der Kohlenstoffablagerung im REM-Prozess dunkler. (b,c) veranschaulichen die Modenprofile für einen optischen Flüstergaleriemodus bzw. den fundamentalen mechanischen Modus mit radialer Streckung, wobei die Einschübe die Querschnittsansicht zeigen. Beide Modenprofile werden mit Finite-Elemente-Methoden simuliert.

Der Mikroresonator weist optische Flüstergalerie-Modi auf (Abb. 1b), die Strahlungsdruck entlang der radialen Richtung erzeugen, um die grundlegenden radial atmenden mechanischen Modi zu aktivieren (Abb. 1c), was wiederum die Hohlraumlänge ändert und somit die optische Resonanzfrequenz verschiebt . Die resultierende dynamische Gegenwirkung zwischen dem optischen Feld und der mechanischen Bewegung kann zur Anregung und Untersuchung der kohärenten mechanischen Bewegung genutzt werden, wobei die Effizienz von der optomechanischen Kopplungsstärke abhängt. Für einen optomechanischen Mikroscheibenresonator mit einem Radius von r skaliert der optomechanische Kopplungskoeffizient als gom ≈ −ωo/r, wobei ωo die optische Resonanzfrequenz darstellt. Die detaillierten Simulationen mit der Finite-Elemente-Methode (FEM) zeigen, dass eine SiC-Mikroscheibe mit einem Radius von 2 μm und einer Dicke von 700 nm optomechanische Kopplungskoeffizienten von |gom|/(2π) = 89 bzw. 73 GHz/nm aufweist , für die fundamentalen und transversalelektrischen (TE-ähnlichen) Moden zweiter Ordnung, die einer starken Strahlungsdruckkraft von |ħgom| entsprechen = 59 bzw. 48 fN, die von jedem Photon erzeugt werden. Die FEM-Simulation zeigt, dass der grundlegende mechanische Radialatmungsmodus des Geräts eine effektive Bewegungsmasse von meff = 22 Pikogramm aufweist. Infolgedessen ist die vakuumoptomechanische Kopplungsrate so groß wie |g0|/(2π) = 42 kHz für die grundlegenden TE-ähnlichen Moden im Gerät.

Die optischen Eigenschaften von Geräten werden durch einen in Abb. 2 gezeigten Faser-Gerät-Kopplungsaufbau getestet. Ein abstimmbarer Laser wird durch evaneszente Kopplung über eine sich verjüngende optische Faser in die Geräte eingekoppelt. Die Hohlraumübertragung wird über dieselbe konische Faser ausgekoppelt und dann von schnellen Detektoren aufgezeichnet. Die Laserwellenlänge wird durch ein Mach-Zehnder-Interferometer kalibriert. Eine typische Hohlraumtransmissionsspur ist in Abb. 3 (a) mit mehreren optischen High-Q-Modi dargestellt. Drei optische Modi aus verschiedenen Modusfamilien zeigen alle optische Qualitäten um 3,8 × 104 (Abb. 3 (b)). Die Kopplungsbedingungen dieser Moden können durch Anpassen des Abstands zwischen Faser und Gerät leicht von untergekoppelt über kritisch gekoppelt bis hin zu übergekoppelt eingestellt werden. Beispielsweise sind die Hohlraummoden bei 1528 nm und 1553 nm in diesem Fall nahezu kritisch gekoppelt.

(a) Der Versuchsaufbau für das optische Pump-Probe-Schema. VOA, MUX und DEMUX stehen für variable optische Dämpfungsglieder, Multiplexer bzw. Demultiplexer. (b) Eine Darstellung des Pump-Probe-Schemas.

(a) Hohlraumübertragung eines typischen optomechanischen SiC-Mikroresonators. (b) Drei Hohlraummoden haben intrinsische optische Eigenschaften um 3,8 × 104, mit experimentellen Daten in Blau und theoretischen Anpassungen in Rot.

Die hohe optische Qualität der Flüstergalerie-Modi ermöglicht in Kombination mit der starken optomechanischen Kopplung eine effiziente Anregung und Prüfung der mechanischen Bewegung. Dazu senden wir eine optische Welle (die Pumpwelle) in eine Hohlraumresonanz, wobei die Leistung sinusförmig mit einer Frequenz um die mechanische Resonanzfrequenz moduliert wird. Das Funktionsprinzip ist in Abb. 2(b) dargestellt. Eine sinusförmige Modulation der optischen Leistung führt zu einem sinusförmig zeitlich variierenden Strahlungsdruck, der über die starke optomechanische Kopplung kohärent die radial atmende mechanische Bewegung auslöst. Um eine solche optomechanische Anregung zu untersuchen, senden wir eine schwache optische Dauerstrichwelle (die Sondenwelle) bei einer anderen Hohlraumresonanz aus. Die kohärente optomechanische Anregung moduliert über die optomechanische Kopplung das Sondenfeld im Hohlraum, was wiederum auf den Ausgang des Hohlraums übertragen wird. Abbildung 2(a) zeigt schematisch den Testaufbau des Experiments, detailliertere Informationen finden Sie in den Methoden. Die Geräte werden bei Raumtemperatur in atmosphärischer Umgebung getestet.

Eine detaillierte Analyse der optomechanischen Dynamik zeigt, dass die modulierte Sondenleistung δPs(Ω) bei der Modulationsfrequenz Ω, die bei der Hohlraumübertragung erfasst wird, gegeben ist durch

wobei δUp(Ω) die modulierte Pumpenergie innerhalb der Kavität darstellt. Hs(Δs) ist die Hohlraumtransduktionsfunktion des Sondenmodus. Die detaillierten Ausdrücke von δUp(Ω) und Hs(Δs) finden Sie in Lit. 26. Gl. (1) umfasst sowohl den optomechanischen Effekt als auch den optischen Kerr-Effekt. Der erste Begriff beschreibt die optomechanische Reaktion, wobei Ωm und Γm die Frequenz bzw. die Dämpfungsrate des mechanischen Modus sind. Der zweite Term, der γs enthält, beschreibt die nichtlineare Kerr-Reaktion, wobei n0 und n2 der Brechungsindex bzw. der nichtlineare Kerr-Koeffizient von SiC sind. ω0s ist die Resonanzfrequenz des Sondenmodus und Veff stellt das effektive Volumen des optischen Modus dar.

Unsere Geräte fallen in den unaufgelösten Seitenbandbereich, in dem die mechanische Frequenz viel kleiner ist als die optische Linienbreite6. In diesem Regime gilt Gl. (1) kann vereinfacht werden zu

Dabei steht δPd(Ω) für die modulierte Pumpleistung, die im Inneren des Hohlraums abfällt. Γ0p ist die intrinsische Photonenzerfallsrate des Pumpmodus. Γ0s und Γts repräsentieren die intrinsische bzw. die gesamte Photonenzerfallsrate des Sondenmodus. Γes stellt seine externe Kopplungsrate dar. Δs = ωs − ω0s ist die Laser-Resonator-Verstimmung der Sondenwelle.

In den Experimenten befindet sich der optische Modus typischerweise in der Nähe kritischer Kopplungsbedingungen, Γ0s = Γes, und die Laserverstimmung für den Sondenmodus ist auf etwa die Hälfte der gesamten Hohlraumlinienbreite Δs ~ Γts/2 eingestellt. Als Ergebnis gilt Gl. 2 reduziert sich erheblich auf

Gleichung (3) zeigt deutlich die lineare Abhängigkeit des übertragenen Sondensignals von den optischen Eigenschaften der Pump- und Sondenmodi. Darüber hinaus hängt es quadratisch vom optomechanischen Kopplungskoeffizienten gom ab, da der optomechanische Effekt nicht nur den mechanischen Modus durch den modulierten Pumpstrahl antreibt, sondern auch die mechanische Bewegung auf den Sondenstrahl überträgt. Folglich würden eine signifikante optomechanische Kopplung und eine hohe optische Qualität in den Geräten zu einer effizienten optomechanischen Anregung und Transduktion durch die Pump- und Sondenwellen führen.

Die Gleichungen (1)–(3) zeigen, dass wir durch Abtasten der Modulationsfrequenz die mechanische Reaktion des Radialatmungsmodus erhalten können. Abbildung 4(b) zeigt drei Beispiele für Geräte mit unterschiedlichen Radien von 2, 4,25 bzw. 6 μm. Die radial atmenden mechanischen Modi weisen in diesen Geräten ausgeprägte mechanische Frequenzen auf, jedoch alle mit einem mechanischen Q über 5000. Die leichte spektrale Asymmetrie der mechanischen Spektren ist hauptsächlich auf die Interferenz vom Fano-Typ zwischen der schmalbandigen mechanischen Reaktion und dem breitbandigen Hintergrund zurückzuführen der nichtlinearen optischen Kerr-Antwort (siehe Gleichung (2)). Ein Vergleich der aufgezeichneten optomechanischen Spektren mit der Theorie ergibt einen optomechanischen Kopplungskoeffizienten von |gom|/(2π) = (61 ± 8) GHz/nm für das 2-μm-Gerät. Dies ist kleiner als der FEM-simulierte Wert (89 GHz/nm), der den Strahlungsdruck der sich verschiebenden dielektrischen Grenze erklärt. Die Diskrepanz ist wahrscheinlich auf den elektrostriktiven Beitrag im dielektrischen Material zurückzuführen48. Wir charakterisieren die Geräte auch mit unterschiedlichen Radien, um die Abhängigkeit der mechanischen Frequenz abzubilden. Wie in Abb. 4(a) gezeigt, skaliert die mechanische Frequenz des Radialatmungsmodus umgekehrt mit dem Geräteradius. Durch den Vergleich der experimentellen Daten (blaue Punkte) mit der theoretischen Vorhersage (rote Kurve) schließen wir, dass der Young-Modul 390 GPa beträgt, was mit früheren Messungen von 3C-SiC-Epitaxiefilmen auf Siliziumsubstraten übereinstimmt.

(a) Die mechanischen Frequenzen der grundlegenden mechanischen Radialdehnungsmodi sind umgekehrt proportional zu den Radien der Mikroscheiben. Experimentelle Punkte sind in Blau und die Anpassungskurve ist in Rot. Der Einschub stellt die Verschiebung eines typischen grundlegenden mechanischen radialen Streckungsmodus dar, wobei die geometrischen Kanten schwarz umrandet sind. (b) Normalisierte mechanische Transduktionsspektren der Siliziumkarbid-Mikroscheiben mit Radien von 2, 4,25 und 6 μm, dargestellt von links nach rechts. Experimentelle Punkte sind blau und Anpassungskurven rot. Die Daten werden durch Gl. angepasst. 2. Die Siliziumkarbid-Mikroplatten sorgen für einen hohen mechanischen Q-Faktor von etwa 5.500 für alle Geräte.

Eine entscheidende Gütezahl für mechanische Resonatoren ist das fm ⋅ Qm-Produkt, das den Grad der Entkopplung der mechanischen Bewegung vom thermischen Umgebungsreservoir quantifiziert6. Abbildung 5 fasst das fm ⋅ Qm-Produkt zusammen, über das bisher für mikro-/nanomechanische SiC-Resonatoren berichtet wurde36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,50,51,52,53. Im Allgemeinen weisen mikro-/nanomechanische SiC-Resonatoren vom Brücken- und Cantilever-Typ niedrige fm ⋅ Qm-Produkte auf, wobei die mechanische Dämpfung durch den mechanischen Klemmverlust dominiert wird. Um den Klemmverlust zu mildern, werden OBAR-Modi (Oberton-Bulk-Acoustic-Resonator) hoher Ordnung verwendet, um mechanische Energie über viele mechanische Wellenlängen zu speichern50,51,52,53, was jedoch eine große Gerätegröße erfordert, die deutlich größer ist als die mechanische Wellenlänge, die die Miniaturisierung und Integration des Geräts erheblich einschränkt.

Die Frequenzqualitätsprodukte der mechanischen SiC-Resonatoren.

Blaue Quadrate, grüne Dreiecke, rote Kreise und gelbe Sterne repräsentieren jeweils Brücken, Ausleger, Mikroscheiben und Oberton-Bulk-Akustik-Resonatoren (OBARs). Die gestrichelten schwarzen Linien zeigen die gleichen fm ⋅ Qm-Produktlinien von 1014 Hz (oben rechts) bis 108 Hz (unten links).

Im Gegensatz dazu arbeiten unsere optomechanischen Resonatoren im fundamentalen radial atmenden akustischen Modus mit einer kleinen Gerätegröße, die mit der mechanischen Wellenlänge vergleichbar ist. Beispielsweise weist das Gerät mit einem Radius von 2 μm eine Frequenz von 1,69 GHz und einen mechanischen Q von 5589 auf (Abb. 4(b)), was einem fm ⋅ Qm-Produkt von 9,47 × 1012 Hz entspricht. Dieses Produkt gehört zu den größten bisher gemeldeten Werten für SiC-Geräte36,37,38,39,40,41,42,43,44,45,46,47,50,51,52,53, wie in Abb. 5. Tatsächlich hat unser Gerät das größte fm ⋅ Qm-Produkt unter den optomechanischen Mikroresonatoren vom Whispering-Gallery-Typ aus verschiedenen Materialien7,10,11,13,14,54,55, wie in Tabelle 1 gezeigt. Dieser Wert liegt immer noch bei ca eine Größenordnung niedriger als das theoretische fm ⋅ Qm-Produkt33,34,35, was bedeutet, dass die aktuelle Einschränkung nicht auf dem intrinsischen mechanischen Verlust des SiC-Materials beruht, sondern auf praktischen Faktoren wie Geräteätzung, Säulenklemmung und Luftdämpfung. Wir erwarten daher in Zukunft eine Verbesserung des fm ⋅ Qm-Produkts nach einer weiteren Optimierung der Gerätestruktur und des Herstellungsprozesses. Tabelle 1 zeigt auch, dass aktuelle SiC-Geräte schlechtere optische Qualitäten aufweisen als hochmoderne optomechanische Geräte aus anderen Materialien. Wir optimieren derzeit den Herstellungsprozess, um die optische Qualität von SiC für praktische optomechanische Anwendungen zu verbessern.

Wir haben die ersten optomechanischen SiC-Resonatoren in 3C-SiC-Mikroplatten demonstriert, die eine starke optomechanische Kopplung und hervorragende mechanische Eigenschaften mit einem fm ⋅ Qm-Produkt von bis zu 9,47 × 1012 Hz aufweisen. Die hohe Leistung der vorgestellten Geräte lässt darauf schließen, dass die optomechanischen SiC-Geräte ein großes Potenzial für Mess- und Sensoranwendungen haben, insbesondere bei der Erfassung von Verschiebung, Kraft, Masse und Beschleunigung/Rotation mit hoher Empfindlichkeit. In Kombination mit den überlegenen thermischen Eigenschaften, der chemischen Inertheit und der hohen Durchbruchspannung von SiC sind optomechanische SiC-Geräte vielversprechend für Anwendungen in verschiedenen rauen Umgebungen, beispielsweise mit hohen Temperaturen, reaktiven Chemikalien, biologischen Flüssigkeiten oder hohen elektrischen Feldern15,16. 42,56,57,58, die für andere Geräteplattformen eine Herausforderung darstellen.

Andererseits weisen die optomechanischen Mikroresonatoren aus SiC eine mechanische Frequenz auf, die durch den Geräteradius skalierbar ist. Insbesondere die SiC-Mikroscheibe mit einem Radius von 2,5 μm weist eine mechanische Frequenz von 1,33 GHz auf (siehe Abb. 4), was der Nullfeldaufspaltung der Spin-Grundzustände der Punktdefekte in 3C-SiC entspricht31,32. Daher ist der kollektive mechanische Modus mit hoher Güte möglicherweise in der Lage, über spannungsinduzierte Kopplung kohärent mit den Grundzuständen des Defektspins zu interagieren. Dieser Mechanismus bietet in Kombination mit der Photonen-Spin-Kopplung in SiC24,25 und der Photonen-Photonen-Wechselwirkung über die signifikanten χ(2)- und χ(3)-Nichtlinearitäten von SiC26,28 ein großes Potenzial für die Bildung einer hybriden Mikro-/Nanophotonik Schaltung, die Photonen, Defektspins und akustische Phononen für nichtlineare optische, quantenoptische und optomechanische Funktionalitäten miteinander koppelt.

Die von uns verwendete Gerätestruktur besteht aus kubisch-polytypischen Siliziumkarbid-Mikroscheiben (3C-SiC), die auf Siliziumsockeln sitzen. Ein hochauflösender Elektronenstrahlresist (ZEP520A) wird verwendet, um eine Chrom (Cr)-Maske mit chlorbasiertem Plasma durch reaktives Ionenätzen (RIE) zu strukturieren. Die Cr-Maske wird später als Hartmaske zum Ätzen von SiC mit fluorbasiertem Plasma durch induktiv gekoppeltes Plasma-RIE verwendet. Der Cr-Rückstand wird dann durch CR-14, ein Cr-Ätzmittel, freigesetzt und das Siliziumsubstrat wird mit Kaliumhydroxid unterätzt. Anschließend wird das Gerät 2 Stunden lang bei 1100 °C geglüht. Abbildung 1 zeigt die hergestellten Geräte mit unterschiedlichen Radien, glatten Seitenwänden und fein kontrollierten Hinterschneidungen. Weitere Herstellungsdetails finden Sie in Ref. 25.

Der Versuchsaufbau ist im Detail in Abb. 2(a) dargestellt. Eine intensive Laserwelle wird durch einen Lithiumniobat-Modulator sinusförmig in der Amplitude moduliert. Die Modulationsfrequenz wird von einem Netzwerkanalysator gescannt. Der Pumplaser wird durch einen variablen optischen Abschwächer (VOA) auf ~80 μW abgeschwächt. Der Sondenlaser wird durch eine weitere VOA um 10 dB kleiner als der Pumpstrahl gehalten. Der thermische Effekt ist für die Betriebsleistungen in den Geräten vernachlässigbar. Die Polarisationsregler werden verwendet, um die Polarisationen der Laserstrahlen auf die verwendeten Hohlraummodi zu ändern. Ein Grobwellenlängenmultiplexer (CWDM) wird verwendet, um die Pump- und Sondenstrahlen zu kombinieren und in den Hohlraum einzuleiten. Der modulierte Pumpstrahl treibt den mechanischen Modus an, wobei die mechanische Verschiebung in das Zittern der Hohlraumresonanzfrequenzen umgewandelt wird. Anschließend werden Pump- und Sondenstrahl durch den CWDM-Demultiplexer getrennt. Detektor 1 mit 90 % Transmission des Sondenstrahls wird vom Netzwerkanalysator erfasst. Der Netzwerkanalysator scannt die Modulationsfrequenzen und erkennt gleichzeitig das Signal bei denselben Frequenzen. Die Detektoren 2 und 3 werden zum Sperren der Laserkavitäten auf den Sonden- bzw. Pumpmodus verwendet. Die optischen Moden, die wir in den Experimenten verwendet haben, sind Moden höherer Ordnung, die durch die aktuelle konische Faser leicht kritisch gekoppelt werden können. Die optomechanische Kopplung kann verbessert werden, indem der Zugriff auf die Grundmoden über eine dünnere konische Faser- oder Wellenleiterkopplung erfolgt.

Zitierweise für diesen Artikel: Lu, X. et al. Hochfrequente und hochwertige optomechanische Mikroresonatoren aus Siliziumkarbid. Wissenschaft. Rep.5, 17005; doi: 10.1038/srep17005 (2015).

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Die Autoren danken Philip X.-L. Feng für hilfreiche Diskussionen. Diese Arbeit wurde von der National Science Foundation im Rahmen des Zuschusses ECCS-1408517 unterstützt. Es wurde teilweise in der Cornell NanoScale Science & Technology Facility (CNF) durchgeführt, einem Mitglied des National Nanotechnology Infrastructure Network.

Institut für Physik und Astronomie, Universität Rochester, Rochester, 14627, NY, USA

Xiyuan Lu

Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, University of Rochester, Rochester, 14627, NY, USA

Jonathan Y. Lee & Qiang Lin

Institut für Optik, Universität Rochester, Rochester, 14627, NY, USA

Qiang Lin

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XL und JYL stellten die Geräte her und führten die Experimente durch. XL analysierte die Daten. QL plante und überwachte das Projekt. Alle Autoren beteiligten sich an der Diskussion der Ergebnisse und der Erstellung des Manuskripts.

Die Autoren geben an, dass keine konkurrierenden finanziellen Interessen bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Lu, X., Lee, J. & Lin, Q. Hochfrequente und hochwertige optomechanische Mikroresonatoren aus Siliziumkarbid. Sci Rep 5, 17005 (2015). https://doi.org/10.1038/srep17005

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Eingegangen: 27. Mai 2015

Angenommen: 22. Oktober 2015

Veröffentlicht: 20. November 2015

DOI: https://doi.org/10.1038/srep17005

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