高品质因子铌酸锂光子晶体腔将光子有效束缚在较小空间内，可在高性能调制器、传感器及非线性频率转换领域产生较大应用价值。大面积的铌酸锂光子晶体腔一般采用电子束曝光结合反应离子刻蚀的方法制备。铌酸锂材料本身较难刻蚀，故所制备的孔洞一般具有70°左右的倾角，这种倾角会将光引导向衬底方向，进而影响光子的局域。故相比于硅基光子晶体，铌酸锂光子晶体腔往往较难实现高品质因子。研究者们提出了渐变晶格常数及逆向设计等方法提高铌酸锂光子晶体腔的品质因子，但皆需要大量的试错仿真。

为解决该问题，我们通过级联多个双色铌酸锂光子晶体腔，仿真上实现了约1.4×10^5的超高的品质因子，是不级联腔(Q值约为2×10^4)的7倍。双色光子晶体由带有一排线缺陷的普通光子晶体引入一排不同晶格常数的外加光子晶体组成。我们通过对单一双色光子晶体及级联双色光子晶体模场的空间傅里叶谱进行分析，发现级联操作会周期性的滤除掉傅里叶谱中的能量，对级联光子晶体而言，这一操作会使光线区域内的相对能量更小。我们实验上制备了所仿真的铌酸锂光子晶体腔以验证设计的可行性。我们的研究可为高品质因子铌酸锂光子晶体腔的设计提供参考。

图1 (a) 所提出级联双色铌酸锂光子晶体腔结构图。(b)所提出光子晶体腔透射谱及模场分布。(c)所提出光子晶体腔的空间傅里叶变换谱。(d)电子束曝光结合反应离子刻蚀在铌酸锂薄膜上制备的71°孔洞。(e)制备的级联双色铌酸锂光子晶体腔。

该成果发表在“Rui Ge, Xiongshuo Yan, Zhaokang Liang, Hao Li, Jiangwei Wu, Xiangmin Liu, Yuping Chen and Xianfeng Chen. Large quality factor enhancement based on cascaded uniform lithium niobate bichromatic photonic crystal cavities, Optics Letters, 48(1), 113-116 (2023)”。

论文链接：https://doi.org/10.1364/OL.477895