基于蓝宝石上硅平台的非悬浮光机械环腔实现高效微波-光转换

为解决量子微波-光转换中悬浮结构散热差和超导量子比特兼容性问题，研究人员开展基于硅-蓝宝石（SOS）平台的非悬浮光机械环腔（OMR）研究，实现三重共振增强的微波-光转换效率达1.5×10?5，耦合速率Gb=3.6 GHz/mW1/2，为量子互联和光机械电路提供新方案。

　　

在量子信息科学领域，实现微波信号与光信号的高效双向转换（microwave-to-optical transduction）是构建大规模量子网络的关键技术。这种转换能够连接超导量子比特（操作频率在微波波段）与光纤通信网络（传输窗口在光波段），从而实现远距离量子通信和分布式量子计算。然而，现有技术主要依赖悬浮式光机械系统（optomechanical systems），通过悬浮结构增强模式重叠并降低损耗。尽管这些系统表现出优异的性能，但其散热能力差的问题在强驱动下会限制最终转换效率。此外，传统的硅-二氧化硅（Si-on-SiO₂）基底与超导量子比特兼容性不佳，会导致量子比特相干时间显著缩短。因此，开发一种既能高效散热又兼容超导量子比特的新型平台成为迫切需求。

在这项发表于《SCIENCE ADVANCES》的研究中，研究人员提出并验证了一种基于硅-蓝宝石（silicon-on-sapphire, SOS）平台的非悬浮光机械环腔（optomechanical ring resonator, OMR），用于实现高效的微波-光频率转换。SOS平台结合了硅的优异光学和机械特性与蓝宝石的低微波损耗和良好散热性，为光机械 transduction 提供了理想基底。通过利用蓝宝石的高光学和声学对比度，研究人员在无需悬浮结构的情况下实现了光子和声子模式的强限制，从而克服了热管理难题并保持了量子比特 coherence。

研究团队通过电子束光刻、等离子体刻蚀和磁控溅射等技术制备了OMR器件，包括多模光波导、声子波导和叉指换能器（interdigital transducer, IDT）。关键实验方法包括：使用矢量网络分析仪（VNA）测量微波反射（S₁₁）和传输（S₂₁）谱以表征声子共振；通过可调激光器和高速光电探测器（HPD）进行光学传输和异差测量（heterodyne measurement）以解析光-机械相互作用；采用有限元分析（FEA）模拟光子和声子模式分布及色散关系；在4 K低温环境下测试器件性能以评估其与超导量子比特的兼容性。

结果

三重共振行波腔

OMR结构支持两个传播光子模式（TE₀和TE₁）和一个声子Love模式（L₀），通过满足相位匹配条件（β₀+q=β₁和ω₀±Ω=ω₁）实现高效的三波混频。相互作用哈密顿量表明，该系统可通过选择驱动方式重构有效相互作用，用于微波-光转换或双模压缩操作。

SOS OMIC设计

器件采用SOS晶圆制备，硅波导基底宽度800 nm，弯曲半径50 μm，支持TE₀和TE₁模式（通信波段）和L₀声子模式（2.2 GHz）。光学输入/输出（I/O）通过光栅耦合器实现，声子I/O通过ZnO薄膜上的IDT实现。OMR采用add-drop配置选择性耦合和滤波TE₀和TE₁模式。

OMIC表征

光学传输谱测得TE₀和TE₁模式的自由光谱范围（FSR）分别为1.86 nm和1.53 nm，与仿真结果一致。最高光学品质因子Q₀=1.03×10⁵（TE₀模式）。微波测量显示IDT在4 K下 electromechanical 转换效率η_em=70%，声子品质因子Q_a=3000（4 K），声子FSR为4.1 MHz，与仿真结果（4.4 MHz）吻合。

多通道微波-光转换

通过 intermodal Brillouin 散射实现TE₀到TE₁模式的转换，光学S₂₁谱显示多个共振峰，间距与声子FSR一致。在1537.55–1555.14 nm范围内多个光学共振波长下均观察到转换信号，表明OMR支持波长 division multiplexing（WDM）操作，为系统扩展提供了可能。

测定光机械耦合速率

通过异差测量解析Brillouin散射的 anti-Stokes 和 Stokes 信号，结合散射矩阵模型拟合得到增强的 intermodal 耦合速率G_b=3.6 GHz/mW^1/2，对应单声子光机械耦合速率g₀=350 Hz。在3.6 mW微波驱动下，光学-光学转换效率为1.2%；在10 mW光驱动下，微波-光转换效率为1.5×10^?5。

结论与讨论

该研究展示了SOS平台在非悬浮光机械 transduction 中的优势：高效散热、兼容超导量子比特、支持多通道操作。尽管g₀低于理论预测（15 kHz）和当前最优压电光机械量子转换器（919 kHz），但GHz级别的G_b和良好的热管理使SOS成为实现光机械 transduction 与超导量子电路集成的理想平台。通过优化波导设计、模式重叠和低温调谐机制，未来可进一步提升性能。此外，该OMR结构在经典应用领域（如光学模式转换器、频率移位器和非磁性光学隔离器）也具有广阔前景。