亚波长铌酸锂薄膜导模共振结构设计及二次谐波转化效率优化.pdf

文章编号：1000-5641(2023)04-0127-10亚波长铌酸锂薄膜导模共振结构设计及二次谐波转化效率优化曹春雨1,瞿敏妮2,谢微1（1.华东师范大学 精密光谱科学与技术国家重点实验室,上海200241;2.上海交通大学 电子信息与电气工程学院 先进电子材料与器件平台,上海200240）摘要:基于亚波长铌酸锂薄膜刻蚀导模共振超表面结构,理论模拟了超表面结构的光学响应特性,探讨了刻蚀微纳结构的周期、填充因子和刻蚀深度等参量对透射光谱的影响,同时研究了不同偏振态和入射角度的光源对光谱线宽的作用;利用非对称的光栅结构设计,使连续谱中的束缚态(bound states in thecontinuum,BIC)衰退为高 Q 值(10 000)的准 BIC 模式;利用束缚态的局域场增强效应,将亚波长铌酸锂薄膜的二次谐波转化效率提升了 5 个数量级.模拟结果表明,当入射基频波的峰值功率密度在约 1 GW/cm2量级时,可实现紫外波段二次谐波高效转化,即单次穿过亚波长铌酸锂薄膜后,出射的紫外波段二次谐波转化效率高达 103量级.这为提升微纳结构、光学表界面体系的非线性响应特性提供了思路和设计方案.关键词:铌酸锂薄膜;光学超表面;导模共振;二次谐波中图分类号:O437.1文献标志码:ADOI:10.3969/j.issn.1000-5641.2023.04.014Subwavelength lithium niobate film guided mode resonance structure designand second harmonic conversion efficiency optimizationCAO Chunyu1,QU Minni2,XIE Wei1（1.State Key Laboratory of Precision Spectroscopy,East China Normal University,Shanghai200241,China;2.Center for Advanced Electronic Materials and Devices,School of Electronics Information andElectrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai200240,China）Abstract:The optical response characteristics of a subwavelength lithium niobate film guided-moderesonance metasurface were investigated via simulations.The influences of parameters such as theperiod,filling factor and etching depth of the etched micronano structure on the transmissionspectrum were examined,and the effects of light sources with different polarization states andincidence angles on the spectral linewidth were imvestigated.Because of the asymmetric gratingstructure design,the bound states in the continuum(BIC)decay into a quasi-BIC mode with ahigh Q value (10 000),and the second harmonic conversion efficiency of the subwavelength lithiumniobate film increases by five orders of magnitude as a result of the local field enhancement effect of thebound state.The simulation results show that a high-efficiency conversion of the second harmonic can berealized in the ultraviolet band when the peak power density of the incident fundamental wave is on theorder of 1 GW/cm2,that is,the ultraviolet second harmonic conversion efficiency emitted after a singlepass through the subwavelength lithium niobate film is up to 103 orders of magnitude.This study 收稿日期:2022-05-10基金项目:国家自然科学基金(62105199,12174112)通信作者:谢微,男,教授,博士生导师,研究方向为微纳结构光学性质及光子集成芯片.E-mail: 第 4 期华东师范大学学报(自然科学版)No.42023 年 7 月Journal of East China Normal University(Natural Science)Jul.2023affords ideas and design schemes for improving the nonlinear response characteristics of amicronano structure and optical table interface system.Keywords:lithium niobate film;optical metasurface;guided mode resonance;second harmonic 0 引言(2)铌酸锂(LiNbO3,LN)因其优异的光学性能而被认为是光学领域的关键材料1-5,被誉为“光学硅”.近年来,在低折射率衬底上成功地制备出亚微米厚度的铌酸锂单晶薄膜,开启了绝缘体铌酸锂结构(lithium niobate on insulator,LNOI)的新性能应用6-8.依托于 LNOI 高折射率对比度,人们制备出了低损耗波导9-10、微盘微环谐振腔11-14、超高速电光调制器15-18、周期性极化铌酸锂非线性器件19、宽带光学梳20-21和光子晶体22-24等高性能的微纳光电器件.LN 由于其非中心对称结构而具有较大的二阶非线性系数 ,结合其在超宽光谱范围内具有极低吸收率的性质,它是可见光紫外波段二次谐波产生(second harmonic generation,SHG)的完美材料.为了提高二次谐波转化效率,人们采用准相位匹配的方法用于补偿相位失配25,又开发出梯度超表面用于提高二次谐波转换的效率26.然而,当非线性介质薄膜厚度在亚波长尺度时,基频光透射薄膜样品产生的二次谐波转化效率往往极低.为了增强亚波长尺度 LNOI 的非线性响应,利用高品质因子(Q 值)光学微腔增强光场的局域功率密度是一种可取的方案.人工微纳结构可以在亚波长尺度实现对光子的捕获,从而获得高密度的局域电磁场能量,这是在极小的模式空间内操控光场的重要手段之一,在增强光学非线性方面有着重要应用27-29.近年来,介质光学超表面在提高光与物质非线性相互作用方面取得了进展,在理论和实验上,高 Q 值的谐振腔结构都实现了二次谐波的高效转化30-31.导模共振(guided mode resonance,GMR)微纳结构是一种由光栅和波导结构衍生出的复合结构,其包含超表面光栅结构,以及由高折射率、低折射率介质层组成的波导层.当波导层厚度处于亚波长尺度时,极小的模式体积和较高的 Q 值参数可使 GMR 微纳结构在加强光与物质相互作用方面有优良的表现,常被应用于光学滤波、光学非线性和生物传感器等领域32.在理想的导模共振结构体系中,连续谱的束缚态(bound states in the continuum,BIC),即所谓的“暗态”33,被证明具有完美的光场限制能力,拥有无穷大的 Q 值34.光学 BIC 首先在光子平板晶体中被发现35.然而理想的 BIC 无法被外场所激发,因此无法被直接利用.但是近来的研究表明,对于 BIC 结构,通过打破其结构对称性或破坏动量空间的对称性,可以使理想的 BIC 模式衰退成准 BIC 模式36-37.准 BIC 模式仍具有大的 Q 值,但却可以被外场所激发.利用准 BIC 模式的超高 Q 值并结合 LN 所具有的大的二阶非线性系数,本文提出了在亚波长厚度 LNOI 样品表面刻蚀 GMR 超表面结构,并通过理论模拟证明了紫外波段二次谐波的显著增强效应,其增强比例高达 105数量级.本文后续:第 1 章介绍刻蚀 GMR 的 LNOI 模型结构;第 2 章模拟 GMR 超表面结构的各参数对于透射光谱的影响,重点分析对共振波长以及半高宽等参数的影响,探究不同偏振态以及不同入射角度对透射光谱的影响,利用非对称结构制备高 Q 值的准 BIC 模式,并利用局域场增强实现 LNOI 样品的 SHG 效率提升;第 3 章对全文做出总结.1 模型简介h1h2本文研究的全介质光栅结构如图 1(a)所示:基于“三明治”结构的铌酸锂(LN)薄膜平台,自上而下分别为亚微米厚度的 LN 薄膜、二氧化硅(SiO2)隔离层以及 LN 衬底层,其中 LN 薄膜和 SiO2的厚度分别为 和 .这样,高折射率的 LN(其折射率约为 2.2)和 SiO2(其折射率约为 1.45)便形成了大的折射率对比度,为限制光场提供了有力支持.通过在 LN 薄膜层刻蚀凹槽以形成周期性的光栅结构.128华东师范大学学报(自然科学版)2023 年(D);(h)(d)(F),F=d/D;kyOzyOzx光栅的参数:周期长度 刻蚀深度 ;光栅条宽度 ;填充因子 其定义为光栅条宽度和光栅周期的比值,即 入射光的波矢为 ,入射方向在 平面,其与法线夹角为 ;光源的偏振态定义为 TM(transverse magnetic)极化波电场,方向在 平面(即与光栅刻线垂直),TE(transverseelectric)极化波电场沿着 轴方向(即与光栅刻线平行).为了激发出导模共振效应,光栅结构的相位匹配需要满足方程38maxnc,nS?ncsin iD?neff.(1)ncnSneffi式(1)中:为覆盖层的折射率(在本文的结构中,覆盖层为空气);为 SiO2的折射率;为入射波的波长;为光栅的有效折射率;为光栅的衍射级.1.00.80.6归一化强度0.40.20650660670680(b)波长/nm690700710720SiO2LN 衬底LN 薄膜光栅(a)zHdDhh1h2EkxOy薄膜反射率薄膜透射率GMR 光栅反射率GMR 光栅透射率z注:(a)中,LN 光栅晶轴沿着 轴方向.图 1 (a)GMR 光栅结构示意图;(b)未刻蚀结构的铌酸锂薄膜与添加 GMR 结构的铌酸锂薄膜的光谱信号对比Fig.1 (a)Schematic of the GMR grating structure;and(b)spectrum contrast of unetched lithium niobate filmand GMR grating structures xyz(ne)(no)根据式(1)可以通过调整光栅参量初步确定共振波长.本文主要关注的波段为可见光波段,对其光栅结构的光学性质求解,仿真采用时域有限差分法(finite difference time domainmethod,FDTD).由于本文的结构是周期性重复结构,故只需要对单元结构仿真便可以求解整个空间内的电磁场分布.在 方向和 方向设置周期性边界条件,在光场的传播方向,即 方向使用完美匹配层边界条件(perfect matched layer,PML).由于 LN 属于负单轴晶体,因此数值模拟不仅需要考虑 LN 的色散性质,同时还要关注其双折射的影响.这里异常光折射率 和寻常光折射率 均采用 Zelmon 等39的文献数据.h1=300 nm、h2=4 mzD=356 nm,F=0.7,h=70 nm.D 100 nm)时,共振峰的线型越宽;随着 的减小,其半高宽(full width at half maximum,FWHM)也就逐渐减小,同时其共振峰一侧的旁带影响也变小.为了直观且定量地表述刻蚀深度对光谱的影响,图 2(e)分别给出了 时透射光谱图,显然随着 的减小,共振峰的线宽越窄,但是峰谷的高度还是很低,接近 0.图 2(f)定量给出了 FWHM 随刻蚀深度的数值变化,显然 FWHM 随着 的减小而减小,当 h=30 nm 时,FWHM 仅有 1.9 nm.710700690680共振峰位/nm670660650640330340350D/nm(d)共振峰波长随着不同周期的变化(e)不同刻蚀深度的透射光谱图360370h=30 nm1.00.80.60.4透射率0.20640 650 660 670波长/nm680 690 700h=60 nmh=90 nmh=120 nmh=150 nm20181614121086420406080FWHM/nmh/nm(f)共振峰的半高宽随刻蚀深度减小时的变化100 120 140 160330750波长/nm700650600340350D/nm(a)周期3601.00.80.60.40.203700.607507006506000.65 0.70F(b)填充因子0.751.00.80.60.40.200.80407507006506006080h/nm(c)刻蚀深度1001.00.80.60.40.20120 140注:(a)、(b)、(c)中颜色代表透射率大小,以上均采用正入射 TM 激发配置.图 2 光栅各参数对透射谱的影响Fig.2 Influence of grating parameters on the transmission spectrum 从上面的分析可以看出,周期直接决定了共振峰的波长,使用不同的周期参数便可以设计需求的共振波长,并且在光栅的刻蚀深度很浅即只有几十纳米时,便可以获得线宽非常窄的共振峰.这说明LN 薄膜在引入较浅的光栅槽调制、对原有薄膜破坏较小时就可以十分显著地导模共振效应.由于130华东师范大学学报(自然科学版)2023 年LN 材料以及 SiO2在宽谱范围内具有透明性,因此 LN 导模共振光栅结构不仅可以反射式滤波,而且可以对透射光滤波.2.2光源的偏振以及入射角度对透射光谱的影响()T(,)=T(,)本文的结构属于一维周期性光栅,其结构具有明显的方向选择性,因此对于不同的偏振态的入射波可能会有不同的光学响应.为此,本文重点研究了 TM 和 TE 这两种偏振态下,不同角度的平面波照射对结构的透射光谱的影响.图 3(a)为 TM 偏振光入射下的透射光谱.在正入射时,如图 3(a)所示,只有 1 个共振峰.但是当斜入射时,任意入射角度 下都会出现 2 个共振峰,并且随着 的增大,上方 1 个峰会发生红移,同时下方 1 个峰会蓝移,导致 2 个峰彼此间的距离越来越远,这正对应着式(1)中 i=1 和 i=1 这 2 个衍射级的贡献,共振峰出现左右高度对称的情形,即 .当保持光栅结构各参数不变(D=356 nm,F=0.7,h=70 nm),仅改变光源的偏振态,即由 TM 偏振变成 TE 偏振时,仿真的结果如图 3(b)所示.由图 3(b)可以看到,共振峰的位置整体都发生了红移,在正入射时,共振波长由约 685 nm 变为约 730 nm,出现了近似双曲线的共振分布,如同 TM 偏振态也是关于中轴线左右对称.但是不同的是,上下两条能带发生了分离,出现了约 10 nm 的光学带隙;同时可以看到,上面的能带谱线出现了奇特的现象,在接近 0时谱线线宽逐渐减小直至完全消失,即此时出现了导模共振的“暗态”模式.“暗态”模式由于对称性保护,无法被垂直入射的平面波所激发,在光谱图上即表现为线宽消失.这种“暗态”模式称作 BIC 模式,处于连续谱中,但是能量被完全束缚住,无法激发,理论上 Q 值为无穷大.72576=1.0=0.8=0.6=0.4透射率=0.2BIC=0543210730735波长/nm(c)图(b)中不同入射角的透射光谱74074575012 00010 0008 0006 000Q 值4 0002 000012/()(d)不同入射角度下 BIC 共振分支对应的 Q 值大小345720BIC1.00.80.60.40.207107006906806706606506405 4 3 2 1012345波长/nm/()(a)TM 偏振角度依赖的透射光谱(b)TE 偏振角度依赖的透射光谱7801.00.80.60.40.207607407207006805 4 3 2 1012345波长/nm/()注:(a)、(b)中,颜色代表透射率.图 3 光源偏振和入射角度对光谱的作用Fig.3 Role of polarization and incidence angle of the light source on spectra第 4 期曹春雨,等:亚波长铌酸锂薄膜导模共振结构设计及二次谐波转化效率优化131=0,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0=0Q=/=5=0.2=0为了进一步探究 BIC 模式,本文将图 3(b)中 的透射光谱提取出来绘制在图 3(c)中.当 从 1逐渐减小时,透射谱右侧的共振峰波长向着短波移动,同时谱线的线宽也越来越小,直到 时,完全看不到峰的 BIC 模式.图 3(d)给出了 q 在 0到 5范围内 Q 值的变化,Q 值的定义是 ,其中 为共振峰的波长,为共振峰的半高宽.在 时,Q 值只有约 300;随着 的减小,Q 值呈现指数级增长的趋势,当 时,Q 值达到约 1.1 104,这说明入射角度越小,其对光场的限制能力就越强,从而把能量集中在光栅所在的 LN 薄膜层,加强了光与物质的相互作用,故具有非常大的 Q 值;当 时,由于其无法被外界的任意偏振态的光源所激发,即使在理论上存在无限大的 Q 值,也无法直接利用,反而破坏对称性的斜入射时,理想 BIC 模式转变成准 BIC 模式,仍然保持非常大的 Q 值,常常能够被实际利用.2.3非对称结构的共振增强与二次谐波增强(D)=2da+db+dcda=0.25Dda+dbda+dc=(db dc)/(db+dc)0,1=0=1dc(h1=300 nm,h2=4 m).BIC 模式除了在动量空间能够实现,其结构对称性被破坏时也能够出现准 BIC 模式.为此,本文仍然基于前面的结构,不同的是,光栅不再是单周期地无限重复,而是存在双周期的单元(图 4(a),其大的周期 ,光栅条的长度为 .这样结构就不再对称,而是沿着 和 交替周期性地排列.为了表征结构的非对称程度,定义非对称系数 ,显然 取值范围为 :当 时,结构是对称的;当 时,表示 为 0,即右侧的空气槽完全消失.考虑到 LN 的各向异性,为了后面更好地获得 LN 的二次谐波响应,本文采用 x 切向的 LN,但是LN 薄膜的厚度和 SiO2的厚度保持不变 =0=0.1,0.2,0.3,0.4,0.5=0=0.1,0.5=0.5=0.1在研究非线性之前,先需研究其线性光学性质,理解其作用机理.为此本文仿真采用图 4(a)所示的结构,其中 D 为 374 nm,h 为 70 nm,模拟不同 值时,在 TE 偏振光入射下其透射谱线的性质.与前面动量空间的 BIC 类似,研究的结构在其结构对称性没有被破坏()时出现理想的 BIC 模式,即线宽消失;当结构的对称性被破坏时,理想的 BIC 模式就会变成可探测的高 Q 值的准 BIC 模式.图 4(b)给出了 时的结构透射光的谱线:当 值减小时,共振峰的波长向短波方向移动,且此时线宽逐渐变小,直到 时共振峰完全消失.图 4(c)给出了 时其电场对于入射光的归一化分布:时,场增强的最大处数值为 16 倍;但是 时,场增强的最大数值为80 倍,此时电场主要分布在刻蚀光栅的 LN 层,这也进一步说明了结构的 越小对于光场的局域效果越好.=0.11.45 104=11/21/2为了定量描述场局域效果,图 4(d)给出了其 Q 值随着 变化的情况:当 时,Q 值高达;当 增大时,Q 值迅速衰减,在 处 Q 值仅约 145;对 Q 值和 进行线性拟合,说明Q 值正比于 ,在 较小时,由于形成准 BIC 模式,在光栅结构非常小的模式体积中形成了强烈的局域场增强,品质因子也达到了很高的水平.=0.1(dijk)以往的研究表明,强的光场局域对于提高微纳结构的非线性响应至关重要.在本文的研究中,重点关注的是其 Q 值最大()处的非线性效应.由于 LN 属于 3m 点群晶体结构,其非线性张量 可以表示为dijk=0000d31d22d22d220d3100d31d31d33000.(2)d33=27 pm/V d31=4.6 pm/V d22=3 pm/VLN 是负单轴的双折射晶体,其二阶非线性系数为 ,.因此在足够强的基波(fundamental wave,FW)的泵浦下,LN 内部形成的二次谐波极化强度为132华东师范大学学报(自然科学版)2023 年Px(2)Py(2)Pz(2)=200000d31d22d22d220d3100d31d31d33000Ex()2Ey()2Ez()22Ey()Ez()2Ex()Ez()2Ex()Ey().(3)726728730/nm透射率(b)不同 值时结构的透射光谱7327347366=0.5=0.4=0.3=0.2=0.1=0BIC543210110104103Q 值102(d)Q 值随非对称系数的变化关系12100FWdahDdbdadcLN 光栅SiO2LN 衬底SHG(a)非对称 GMR 结构示意图=0.1=0.5100 nm(c)结构内部入射光场电场成分的归一化分布008016|E|E0|E|E0|zxy=(db dc)/(db+dc)zE01/2.注:(a)中,非对称系数 ,LN 晶轴沿 轴方向,采用正入射 TE 激发配置;(b)中,D=374 nm,h=70 nm;(c)中,是入射光的电场;(d)中,Q 值正比于 图 4 非对称 GMR 结构设计及线性光学性质Fig.4 Asymmetric GMR structural design and linear optical properties d33d33()(PSHGpeak)(PFWpeak)为了获得更强的二次谐波响应,本文利用最大的非线性系数 .对于 SHG 的仿真,选择非耗尽的泵浦近似.由前面关于非对称结构的线性光学性质的讨论可以发现超高 Q 值出现在约 731 nm,同时为了利用 ,选择 TE 偏振态(偏振方向沿着 x 切向 LN 的光学轴,即图 4(a)的 z 轴方向)的强场光源垂直入射泵浦.为了评价其 SHG 的响应效果,本文在结构的透射方向对相应面积内的坡印廷矢量做积分,以得到 SHG 的转化的功率值.二次谐波的转化效率 定义为二次谐波的峰值功率 与基波(FW)的峰值功率 之比,即=PSHGpeakPFWpeak.(4)考虑到实际的应用,SHG 和 FW 的光强依赖关系也被研究.FW 的峰值光强由 0.12 GW/cm2第 4 期曹春雨,等:亚波长铌酸锂薄膜导模共振结构设计及二次谐波转化效率优化133log10到 1.33 GW/cm2逐渐变化,SHG 的光强随着 FW 光强的变化如图 5(a)所示.表明 SHG 的功率密度和 FW 的泵浦激发功率密度的双 坐标,拟合斜率约为 2 的线性关系,即二次谐波的光强正比于入射基波光强的平方(对应电场强度的四次方).0.10.01000.00100.00010.40.8 1.2激发功率密度/(GWcm2)(a)共振波长处 SHG 信号功率密度 随泵浦激光功率密度的变化曲线倍频功率密度/(GWcm2)(c)SHG 信号转化效率随泵 浦激光波长的变化曲线729102103104105106107108364.5 365.0 365.5倍频波长/nm激发波长/nm366.0 366.5730731732733薄膜GMR 光栅倍频转化效率(b)对应的 SHG 信号转化效率随泵 浦激光功率密度的变化曲线激发功率密度/(GWcm2)0.0060.0050.0040.0030.0020.00100.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4倍频转化效率注:在相同激发功率(约 1.3 GW/cm2)条件下,共振波长处刻有 GMR 结构薄膜和未刻蚀 LNOI 薄膜的二次谐波转化效率提升高达 105倍,图中微纳结构的其他参数见图 4.图 5 二次谐波的增强Fig.5 Enhancement of second harmonics =0.1图 5(b)给出了本文这种结构在 时,SHG 的转化效率随 FW 泵浦强度的变化:当 FW 峰值光强为 1.33 GW/cm2(对应电场振幅值为 1 108 V/m)时,其二次谐波的转化效率为 0.58%;当光强为 0.133 GW/cm2时,其转化效率为 0.06%.SHG 的效率随 FW 的光强呈线性变化,也进一步证明了二次谐波的产生.105SHG 在不同波长泵浦下的转化效率如图 5(c)所示,在共振处(FW 波长约 731.2 nm,SHG 波长约 365.6 nm)其 SHG 的转化效率最大,为 0.58%.在 LN 薄膜仅数百纳米厚度的情况下,二次谐波依赖相位匹配的传播距离十分有限,未刻蚀光栅的 LN 薄膜其 SHG 转化效率只有约 108,但是通过刻蚀光栅结构,在局域场增强的作用下,可以使得结构的 SHG 的转化效率增强约 倍.同时可以看到,在稍微偏离共振波长的位置,其 SHG 的转化效率呈指数级下降,这是因为共振处 Q 值高共振线宽十分窄,一旦远离共振处其光场的局域效果将会迅速下降,对于二次谐波的增强效果也将不再明显.3 结论1.45 104=0.1本文在理论上设计了基于 LN 薄膜的亚波长导模共振光栅结构,数值分析了结构参数以及光源偏振态和入射角度对于其共振特性的影响.结果表明,光栅周期决定了共振波长的位置,并且刻蚀深度对共振的线宽影响明显,刻蚀深度越小其线宽也就越小.同时研究了入射角度对于共振峰的线宽的影响,设计了非对称的光栅结构,实现了 Q 值为 的准 BIC 共振模式,利用超高 Q 值的局部场增强实现了对于 LN 的二次谐波的共振增强.当非对称系数 时,在泵浦光峰值功率为1.33 GW/cm2下,实现了 0.58%的 SHG 转化效率.参考文献 WEIS R S,GAYLORD T K.Lithium niobate:Summary of physical properties and crystal structure J.Applied Physics A,1985,37(4):191-203.1 WOOTEN E L,KISSA K M,YI-YAN A,et al.A review of lithium niobate modulators for fiber-optic communications systems J.IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics,2000,6(1):69-82.2 ARIZMENDI L.Photonic applications of lithium niobate crystals J.Physica Status Solidi(A),2004,201(2):253-283.3 134华东师范大学学报(自然科学版)2023 年 GUARINO A,POBERAJ G,REZZONICO D,et al.Electro optically tunable microring resonators in lithium niobate J.NaturePhotonics,2007,1(7):407-410.4 SOHLER W,HU H,RICKEN R,et al.Integrated optical devices in lithium niobate J.Optics and Photonics News,2008,19(1):24-31.5 POBERAJ G,HU H,SOHLER W,et al.Lithium niobate on insulator(LNOI)for micro-photonic devices J.Laser and PhotonicsReviews,2012,6(4):488-503.6 BOES A,CORCORAN B,CHANG L,et al.Status and potential of lithium niobate on insulator(LNOI)for photonic integratedcircuits J.Laser and Photonics Reviews,2018,12(4):1700256.7 QI Y F,LI Y.Integrated lithium niobate photonics J.Nanophotonics,2020,9(6):1287-1320.8 VOLK M F,SUNTSOV S,RTER C E,et al.Low loss ridge waveguides in lithium niobate thin films by optical grade diamond bladedicing J.Optics Express,2016,24(2):1386-1391.9 SIEW S Y,CHEUNG E J H,LIANG H D,et al.Ultra-low loss ridge waveguides on lithium niobate via argon ion milling and gasclustered ion beam smoothening J.Optics Express,2018,26(4):4421-4430.10 WANG J,BO F,WAN S,et al.High-Q lithium niobate microdisk resonators on a chip for efficient electro-optic modulation J.Optics Express,2015,23(18):23072-23078.11 ZHANG M,WANG C,CHENG R,et al.Monolithic ultra-high-Q lithium niobate microring resonator J.Optica,2017,4(12):1536-1537.12 LIN J T,YAO N,HAO Z Z,et al.Broadband quasi-phase-matched harmonic generation in an on-chip monocrystalline lithium niobatemicrodisk resonator J.Physical Review Letters,2019,122(17):173903.13 PAN A,HU C R,ZENG C,et al.Fundamental mode hybridization in a thin film lithium niobate ridge waveguide J.Optics Express,2019,27(24):35659-35669.14 WANG C,ZHANG M,CHEN X,et al.Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltagesJ.Nature,2018,562(7725):101-104.15 WANG C,ZHANG M,STERN B,et al.Nanophotonic lithium niobate electro-optic modulators J.Optics Express,2018,26(2):1547-1555.16 HE M B,XU M Y,REN Y X,et al.High-performance hybrid silicon and lithium niobate MachZehnder modulators for 100 Gbit s1 andbeyond J.Nature Photonics,2019,13(5):359-364.17 XU M Y,HE M B,ZHANG H G,et al.High-performance coherent optical modulators based on thin-film lithium niobate platform J.Nature Communications,2020,11(1):Article number 3911.18 LU J J,SURYA J B,LIU X W,et al.Periodically poled thin-film lithium niobate microring resonators with a second-harmonicgeneration efficiency of 250,000%/W J.Optica,2019,6(12):1455-1460.19 WANG C,ZHANG M,YU M J,et al.Monolithic lithium niobate photonic circuits for Kerr frequency comb generation and modulationJ.Nature Communications,2019,10(1):Article number 978.20 ZHANG M,BUSCAINO B,WANG C,et al.Broadband electro-optic frequency comb generation in a lithium niobate microringresonator J.Nature,2019,568(7752):373-377.21 JIANG H W,LIANG H X,LUO R,et al.Nonlinear frequency conversion in one dimensional lithium niobate photonic crystalnanocavities J.Applied Physics Letters,2018,113(2):021104.22 LI M X,LIANG H X,LUO R,et al.HighQ 2D lithium niobate photonic crystal slab nanoresonators J.Laser and PhotonicsReviews,2019,13(5):1800228.23 LI M X,LING J W,HE Y,et al.Lithium niobate photonic-crystal electro-optic modulator J.Nature Communications,2020,11(1):Article number