Ultrahigh-Q optomechanical crystal cavities fabricated in a CMOS foundry
Creators
- 1. Universidade Estadual de Campinas (UNICAMP)
Description
Photonic crystals use periodic structures to create forbidden frequency regions for optical wave propagation, that allow for the creation and integration of complex optical functions in small footprint devices. Such strategy has also been successfully applied to confine mechanical waves and to explore their interaction with light in the so-called optomechanical cavities. Because of their challenging design, these cavities are traditionally fabricated using dedicated high-resolution electron-beam lithography tools that are inherently slow, limiting this solution to small-scale applications or research. Here we show how to overcome this problem by using a deep-UV photolithography process to fabricate optomechanical crystals on a commercial CMOS foundry. We show that a careful design of the photonic crystals can withstand the limitations of the photolithography process, producing cavities with measured intrinsic optical quality factors as high as $Q_{i}=(1.21\pm0.02)\times10^{6}$. Optomechanical crystals are also created using phononic crystals to tightly confine the sound waves within the optical cavity that results in a measured vacuum optomechanical coupling rate of $g_{0}=2\pi\times(91\pm4)$ kHz. Efficient sideband cooling and amplification are also demonstrated since these cavities are in the resolved sideband regime. Further improvement in the design and fabrication process suggest that commercial foundry-based optomechanical cavities could be used for quantum ground-state cooling.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
تستخدم البلورات الضوئية هياكل دورية لإنشاء مناطق تردد محظورة لانتشار الموجات الضوئية، والتي تسمح بإنشاء ودمج الوظائف البصرية المعقدة في أجهزة البصمة الصغيرة. كما تم تطبيق هذه الاستراتيجية بنجاح لحصر الموجات الميكانيكية واستكشاف تفاعلها مع الضوء في ما يسمى التجاويف الميكانيكية الضوئية. نظرًا لتصميمها الصعب، يتم تصنيع هذه التجاويف تقليديًا باستخدام أدوات الطباعة الحجرية عالية الدقة للإلكترونات البطيئة بطبيعتها، مما يحد من هذا الحل للتطبيقات أو الأبحاث الصغيرة. نوضح هنا كيفية التغلب على هذه المشكلة باستخدام عملية الطباعة الحجرية الضوئية للأشعة فوق البنفسجية العميقة لتصنيع بلورات ميكانيكية ضوئية على مسبك CMOS تجاري. نظهر أن التصميم الدقيق للبلورات الفوتونية يمكن أن يتحمل قيود عملية الطباعة الحجرية الضوئية، مما ينتج تجاويف ذات عوامل جودة بصرية جوهرية مقاسة تصل إلى $Q _{ i }=( 1.21\ pm0.02)\ times10^{ 6 }$. يتم إنشاء البلورات الميكانيكية الضوئية أيضًا باستخدام البلورات الصوتية لحصر الموجات الصوتية بإحكام داخل التجويف البصري مما يؤدي إلى معدل اقتران ميكانيكي ضوئي فراغي مقاس قدره $g _{ 0 }=2\pi\times(91\pm4)$ kHz. يتم أيضًا توضيح التبريد والتضخيم الفعال للنطاق الجانبي نظرًا لأن هذه التجاويف موجودة في نظام النطاق الجانبي الذي تم حله. يشير المزيد من التحسين في عملية التصميم والتصنيع إلى أنه يمكن استخدام التجاويف الميكانيكية الضوئية التجارية القائمة على المسبك لتبريد الحالة الأرضية الكمومية.Translated Description (French)
Les cristaux photoniques utilisent des structures périodiques pour créer des régions de fréquences interdites pour la propagation des ondes optiques, qui permettent la création et l'intégration de fonctions optiques complexes dans des dispositifs à faible encombrement. Une telle stratégie a également été appliquée avec succès pour confiner les ondes mécaniques et explorer leur interaction avec la lumière dans les cavités dites optomécaniques. En raison de leur conception difficile, ces cavités sont traditionnellement fabriquées à l'aide d'outils de lithographie par faisceau d'électrons à haute résolution dédiés qui sont intrinsèquement lents, limitant cette solution aux applications ou à la recherche à petite échelle. Nous montrons ici comment surmonter ce problème en utilisant un procédé de photolithographie à UV profond pour fabriquer des cristaux optomécaniques sur une fonderie CMOS commerciale. Nous montrons qu'une conception minutieuse des cristaux photoniques peut résister aux limitations du processus de photolithographie, produisant des cavités avec des facteurs de qualité optique intrinsèques mesurés aussi élevés que $Q_{i}=(1.21\pm0.02)\times10^{6}$ . Des cristaux optomécaniques sont également créés à l'aide de cristaux phononiques pour confiner étroitement les ondes sonores dans la cavité optique, ce qui donne un taux de couplage optomécanique sous vide mesuré de $g_{0}=2\pi\times(91\pm4)$ kHz. Le refroidissement et l'amplification efficaces de la bande latérale sont également démontrés puisque ces cavités sont dans le régime de la bande latérale résolue. D'autres améliorations dans le processus de conception et de fabrication suggèrent que les cavités optomécaniques commerciales basées sur la fonderie pourraient être utilisées pour le refroidissement quantique de l'état fondamental.Translated Description (Spanish)
Los cristales fotónicos utilizan estructuras periódicas para crear regiones de frecuencia prohibidas para la propagación de ondas ópticas, que permiten la creación e integración de funciones ópticas complejas en dispositivos de pequeña huella. Dicha estrategia también se ha aplicado con éxito para confinar las ondas mecánicas y explorar su interacción con la luz en las llamadas cavidades optomecánicas. Debido a su desafiante diseño, estas cavidades se fabrican tradicionalmente utilizando herramientas dedicadas de litografía de haz de electrones de alta resolución que son inherentemente lentas, lo que limita esta solución a aplicaciones o investigaciones a pequeña escala. Aquí mostramos cómo superar este problema mediante el uso de un proceso de fotolitografía UV profunda para fabricar cristales optomecánicos en una fundición CMOS comercial. Mostramos que un diseño cuidadoso de los cristales fotónicos puede soportar las limitaciones del proceso de fotolitografía, produciendo cavidades con factores de calidad óptica intrínseca medidos tan altos como $Q_{i}=(1.21\pm0.02)\times10^{6}$. Los cristales optomecánicos también se crean utilizando cristales fonónicos para confinar estrechamente las ondas de sonido dentro de la cavidad óptica, lo que da como resultado una tasa de acoplamiento optomecánico de vacío medida de $g_{0}=2\pi\veces(91\pm4)$ kHz. También se demuestra un enfriamiento y amplificación eficientes de la banda lateral, ya que estas cavidades se encuentran en el régimen de banda lateral resuelta. Una mejora adicional en el proceso de diseño y fabricación sugiere que las cavidades optomecánicas comerciales basadas en fundición podrían usarse para el enfriamiento cuántico del estado fundamental.Files
      
        s41598-017-02515-4.pdf.pdf
        
      
    
    
      
        Files
         (3.7 MB)
        
      
    
    | Name | Size | Download all | 
|---|---|---|
| md5:bce8a0344b35346a667b30a6a51c5680 | 3.7 MB | Preview Download | 
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- تجاويف كريستالية بصرية ميكانيكية فائقة الجودة مصنوعة في مسبك CMOS
- Translated title (French)
- Cavités cristallines optomécaniques à Q ultra élevé fabriquées dans une fonderie CMOS
- Translated title (Spanish)
- Cavidades de cristal optomecánicas de ultra alta Q fabricadas en una fundición CMOS
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2618542447
- DOI
- 10.1038/s41598-017-02515-4
            
              References
            
          
        - https://openalex.org/W1679395621
- https://openalex.org/W1964656521
- https://openalex.org/W1972187331
- https://openalex.org/W1974521453
- https://openalex.org/W1986349933
- https://openalex.org/W1987055762
- https://openalex.org/W1991307221
- https://openalex.org/W2006989419
- https://openalex.org/W2033632707
- https://openalex.org/W2050824349
- https://openalex.org/W2056051089
- https://openalex.org/W2065204159
- https://openalex.org/W2069510582
- https://openalex.org/W2074383155
- https://openalex.org/W2091682226
- https://openalex.org/W2102183852
- https://openalex.org/W2107209704
- https://openalex.org/W2109426336
- https://openalex.org/W2121382865
- https://openalex.org/W2155150279
- https://openalex.org/W2262757352
- https://openalex.org/W2267400860
- https://openalex.org/W3101449021
- https://openalex.org/W3104746325
- https://openalex.org/W3105365657
- https://openalex.org/W3106128141
- https://openalex.org/W4238156144