基于慢光效应的超高Q值可调谐微环谐振器：掺铒薄膜铌酸锂平台的突破

《Nature Communications》：Ultra high-Q tunable microring resonators enabled by slow light

本刊编辑推荐：研究人员针对纳米光子谐振器品质因子(Q)受限于材料损耗的瓶颈问题，在掺铒薄膜铌酸锂(Er:TFLN)平台中通过光谱烧孔(SHB)技术制备强色散介质，实现了群速度降低三个数量级、Q因子超过108的超高Q可调谐谐振器，并建立了修正布洛赫方程模型解释强光场下铒离子退相干的抑制现象，为芯片上窄线宽滤波、量子存储等应用提供了新方案。

　　

在集成光子学领域，高品质因子（Q）的光学谐振器是实现窄带滤波、非线性效应增强和量子信息处理的核心元件。然而，纳米光子谐振器的Q值长期受限于材料吸收和表面散射损耗，最高仅能达到10⁵-10⁶量级，难以满足高精度传感、光谱学和量子网络等应用对极致线宽的要求。尽管薄膜铌酸锂（TFLN）平台通过优化制备工艺可将Q值提升至2×10⁷，但其性能仍与宏观光学腔（Q≥10⁹）和原子系统（Q≥10¹³）存在数量级差距。这一瓶颈使得许多需超窄线宽的功能（如原子接口光子生成、激光稳频）无法在芯片上实现。

为解决这一挑战，美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校的Priyash Barya等人提出了一种创新策略：将原本用于宏观系统的慢光物理机制引入纳米光子谐振器。研究团队利用掺铒薄膜铌酸锂（Er:TFLN）中稀土离子 ensembles（系综）的强色散特性，通过光谱烧孔（Spectral Hole Burning, SHB）技术在吸收谱内制备窄透明窗口，显著降低光群速度，从而将谐振器Q值提升近三个数量级，突破10⁸。该成果以“Ultra high-Q tunable microring resonators enabled by slow light”为题发表于《Nature Communications》，为集成光子学性能突破提供了新范式。

研究团队通过电子束光刻和离子刻蚀工艺制备了直径300μm的Er:TFLN微环谐振器（铒掺杂浓度0.5%），其在1534.5 nm波长的本征损耗率κ_i=2π×471 MHz，耦合损耗率κ_ext=2π×324 MHz。在铒吸收带（中心波长1531.6 nm）内，铒引入的附加损耗率κ_Er=2π×16 GHz远高于本征损耗，导致谐振峰严重展宽。为构建慢光环境，团队在1.7 K低温和0.1-0.2 T磁场条件下，采用50 μs的“烧孔”脉冲选择性饱和铒离子系综中的特定频谱子集，形成宽度Δ_hole/(2π)≈30-100 MHz的透明窗口，其群速度满足v_g=c·Δ_hole/κ_Er，理论预测可降至光速的1/700。

慢光诱导线宽窄化

通过探测脉冲传输测量发现，烧孔频率处出现线宽仅1.9 MHz的洛伦兹型共振 dip，对应Q值达1.1×10⁸，较裸腔Q值（1.8×10⁵）提升近千倍。时域环形衰减测量进一步验证了慢光效应：窄化模式的寿命延长至82 ns，而裸腔寿命仅0.14 ns。群延迟实验显示，1.5 μs高斯脉冲在谐振器中延迟200 ns，群速度降至2×10⁵ m/s，与理论预测一致。

电光调谐

研究还揭示了慢光共振的Fano线型本质：其源于窄谱孔（离散态）与宽腔模（连续态）的干涉。通过调节烧孔激光频率与裸腔共振频率（ω_c）的失谐量，可控制Fano不对称参数q=(ω_c-ω_l)/(κ/2+κ_Er/2)，实现线型从对称到不对称的连续调控。利用铌酸锂的强χ⁽²⁾非线性，团队通过电极施加直流电压（调谐率0.12 GHz/V），使裸腔共振频率移动，进而动态调控窄化共振频率，展示出约15 MHz的电光调谐范围。

修正布洛赫方程模型

实验发现，共振线宽随输入功率（P_in）的变化显著偏离标准布洛赫方程预测：当P_in=21 μW时，实测线宽比理论值窄两个数量级。研究表明，强光场下铒离子与锂/铌核自旋浴的耦合被抑制，退相干率γ_m=γ/(1+(Ωτ_c)²)+γ_s/2（其中τ_c≈1 μs为浴关联时间）。当拉比频率Ω远大于1/τ_c时，退相干率趋近于自发发射极限γ_s/2，从而显著窄化线宽。该修正模型为谐振器耦合稀土系综系统的精准建模提供了关键理论支撑。

本研究通过慢光效应将纳米光子谐振器的Q值推至10⁸量级，并实现了电光动态调谐。理论层面，揭示了强光场下稀土离子退相干的抑制机制，突破了传统布洛赫方程的适用局限。该技术若与现有最高Q值TFLN谐振器（Q=2×10⁷）结合，有望将有效Q值进一步提升至10¹⁰（线宽<10 kHz），为芯片上窄带光子生成、激光稳频、量子存储等应用开辟了新路径。未来通过低温强磁场实现持久光谱烧孔，可消除自发发射背景，推动该系统向单光子级量子应用发展。