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2025

纪幸辰/苏翼凯LPR | 780 nm 片上集成高Q值超大带宽法布里-珀罗腔

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随着量子精密测量、原子操控和窄线宽激光器等应用的快速发展，对工作于可见及近可见光波段（特别是铷原子跃迁对应的780 nm波长）的高性能光子器件提出了越来越高的要求。其中，具有高品质因子（Q值）与大带宽的Fabry-Pérot（F-P，法布里-珀罗）谐振腔是实现原子光子学和窄带激光的重要器件。然而，在可见及近可见光波段，传统的片上集成F-P腔面临材料吸收高、反射器结构复杂及波导加工精度等限制，难以兼顾高Q值、大带宽和制造的鲁棒性。

为解决这一难题，上海交通大学电子信息与电气工程学院光传输与集成光子学实验室（OTIP）纪幸辰副教授及苏翼凯教授提出并验证了一种适用于780 nm波段、具有超大带宽与高制造容差的集成F-P腔。该器件采用氮化硅（SiN）平台，结合新型三角反射结构与模式转换耦合器，在无需热退火的情况下，实现了本征Q值达6.1×10⁵，工作带宽超过500 nm，刷新了目前在该波段片上集成F-P腔的纪录。为片上原子冷却、量子光学等应用提供了重要的技术支持。

设计思路和工作原理

F-P腔通过两端反射镜形成驻波共振，能够有效增强光与物质的相互作用。在通信的C波段，基于绝缘体上硅（SOI）的片上集成F-P腔已取得显著发展。然而，在可见及近可见光波段（如780 nm），传统的硅基平台受限于硅波导的高损耗、布拉格结构周期短及工艺容差小等因素，难以实现高Q值片上集成F-P腔。对此，本文采用绝缘体上氮化硅（SiNOI）平台，凭借其宽透明窗口、低损耗以及良好的工艺兼容性，为高性能F-P腔的实现提供了坚实基础

为突破上述限制，本研究设计了一种基于等腰直角三角形反射镜（IRTR）与非对称定向耦合器（ADC）的集成F-P腔结构。该腔体结合TE₁模式的传播与全内反射结构，在保证高反射率（>0.98）的同时，有效提升了腔体对加工偏差（如侧壁倾斜、波导宽度变化）的容忍度。测试结果显示，该结构在780 nm波长下的本征Q值为6.1×10⁵，为目前已知片上集成F-P腔在该波段的最高纪录。此外，该器件在1260 nm依然保持Q值高于10⁵，展现出超过500 nm的宽波段工作能力。

该器件结构由三部分组成：非对称定向耦合器实现模式转换与选择性耦合、绝热锥形波导确保TE₁模式在反射镜间低损传播、IRTR反射镜通过空气包层实现全内反射并提供高反射率。团队采用LPCVD沉积工艺结合电子束曝光、等离子体刻蚀工艺完成了器件加工，并通过倍频激光器、光电探测器等设备实现了高灵敏度的Q值测量。本设计避免了复杂的布拉格光栅结构，简化了工艺流程，显著提升了工作带宽，为未来片上集成宽带高Q值光学谐振腔提供了一种新的解决方案。