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#薄膜铌酸锂晶圆 #绝缘体上硅晶圆 #铌酸锂压电器件 

摘要：我们在一个结合了薄膜铌酸锂与绝缘体上硅的混合平台上，展示了高效的压电性与光力学效应。该器件为在微波与光学之间实现低能量的经典及量子转换开辟了一条引人入胜的路径。

低温微波量子比特是全球范围内为构建具有吸引力的量子技术而追求的目标。目前，扩展这些处理器规模的主要工作正在进行中，逐步接近经典技术无法实现的实用任务[1]。然而，目前还无法将量子比特很好地连接到一个单台制冷机之外，这限制了它们在实验室以外的应用。微波到光学的量子转换器在解决这一挑战方面具有独特地位。然而，即使是目前最先进的系统，每个量子比特在微波与光学之间转换时也会消耗过多的能量[2-9]。在功率严重受限[11]的低温环境下，这种耗散能量限制了量子通信速率的上限[10]。

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在此，我们通过将强压电材料——铌酸锂（LN）——与领先的光力学和光子学平台——绝缘体上硅（SOI）——相结合，朝着大幅降低这一耗散能量迈出了第一步。尽管当今的转换器要么受限于弱压电效应，要么受限于弱光力学效应[4,8,12]，但这种混合的LN-SOI平台结合了铌酸锂和硅的最佳特性。我们观察到了涉及强限域近红外光学和千兆赫兹力学的高效压电相互作用和高效光力学相互作用，为实现微波与光学之间的低能量量子转换器开辟了一条有前景的路径。我们的材料叠层由一层键合到绝缘体上硅叠层顶面的铌酸锂薄膜构成。我们开发了一套制造工艺，通过四个主要步骤在该叠层上加工器件：（1）刻蚀LN，（2）刻蚀Si，（3）金属化压电机械器件，以及（4）悬浮机械器件。 

图1：LN-SOI压电光力学开发的初步结果。a，在LN-SOI叠层上加工出的硅光力学晶体（OMC）。b和c，在同一芯片上，我们观察到了强压电相互作用的压电机械叉指谐振器。d，一个压电机械叉指谐振器的微波反射光谱。

这种新颖的纳米加工工艺制备出了具有良好光学和机械品质因子以及光力学相互作用速率（通过光学位带光谱测量，未显示）的硅光力学晶体（图1a）。我们通过制备悬浮的叉指压电谐振器（图1b和c）来测试薄膜铌酸锂的压电特性。对这些器件进行的微波反射光谱测量显示出在千兆赫兹范围内微波与力学之间的强相互作用（图1d）。

在正在进行的工作中，我们不仅将这种高效的电-机械和光-机械相互作用集成在同一芯片上，更集成在单个器件内。我们计划在毫开尔文温度下研究这些器件的量子转换。我们的工作有望带来经典[13]和量子转换器，在耗散超低功率[6,8]的同时，弥合微波与光学之间的鸿沟。这项技术有潜力实现基于微波量子比特之间光学互连的分布式量子处理器[14]和量子网络[15]。

文章名：Piezo-optomechanics in lithium niobate on silicon-on-insulator for microwave-to-optics transduction

作者：Rapha ¨el Van Laer? , Wentao Jiang? , Rishi N. Patel, Christopher J. Sarabalis, Agnetta Cleland, Timothy P. McKenna, E. Alex Wollack, Patricio Arrangoiz-Arriola, Jeremy D. Witmer, Amir H. Safavi-Naeini

单位：Ginzton Laboratory, Department of Applied Physics, Stanford University