[論文レビュー] Cavity optomechanical bistability with an ultrahigh reflectivity photonic crystal membrane

Feng Zhou, Yiliang Bao+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、1550 nm で動作するように最適化されたフォトニクスクリスタル膜を用いたファブリ・ペロー共振器において、超高反射率（R = 0.999835）を実現し、記録的なファインネス F = 35,000(500) を達成した。この系は、1 mW未満の入力パワーでも、強力な光機械的二価性とヒステリシスを示し、低損失と高い機械的品質因子（Q = 1.1 × 10⁶）のおかげで、空気による減衰があっても1 MHzを超える機械的振動が誘発される。

ABSTRACT

Photonic crystal (PhC) membranes patterned with sub-wavelength periods offer a unique combination of high reflectivity, low mass, and high mechanical quality factor. We demonstrate a PhC membrane that we use as one mirror of a Fabry-Perot cavity with finesse as high as $F=35,000(500)$, corresponding to a record high PhC reflectivity of $R=0.999835(6)$. The fundamental mechanical frequency is 426 kHz, more than twice the optical linewidth, placing it firmly in the resolved-sideband regime. The mechanical quality factor in vacuum is $Q=1.1(1) imes 10^6$, allowing us to achieve values of the single-photon cooperativity as high as ${\cal C}_0=6.6 imes10^{-3}$. We easily see optomechanical bistability as hysteresis in the cavity transmission. As the input power is raised well beyond the bistability threshold, dynamical backaction induces strong mechanical oscillation above 1~MHz, even in the presence of air damping. This platform will facilitate advances in optomechanics, precision sensing, and applications of optomechanically-induced bistability.

研究の動機と目的

• 超高反射率を有するフォトニクスクリスタル膜を、高ファインネス光機械的共振器に応用するための開発。
• 1550 nm での動作に最適化された PhC 構造を用いて、記録的な高いファインネスを達成するための最適化。
• 高い機械的品質因子と低質量を有する系において、光機械的二価性を実証すること。
• 解像されたサイドバンド領域における静的二価性と動的バックアクションの相乗的相互作用を解明すること。
• 今後の量子光機械学、高精度センシング、すべて光の非線形素子への応用を可能にする。

提案手法

• 電子ビームリソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いて、220 nm 厚の窒化ケイ素膜に六角格子の円形穴を形成した。
• S⁴ ソフトウェアと厳密なカップルドウェーブ解析（RCWA）を用いて、1550 nm における反射率を最大化するための PhC 構造を最適化した。
• PhC膜をファブリ・ペロー共振器の一方の鏡として統合し、透過スペクトルのフィッティングとローレンツ線形関数解析によりファインネスを測定した。
• 入射レーザーの周波数をスイープすることで、共振器透過特性におけるヒステリシスを観測し、二価性領域を同定した。
• 入力パワーを変化させた条件下で機械的応答を測定し、動的バックアクションによって誘発される強力な機械的振動を観測した。
• 真空中での1光子コープリティビティ（C₀ = 6.6 × 10⁻³）と機械的品質因子（Q = 1.1 × 10⁶）を計算し、量子光機械的ポテンシャルを評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元フォトニクスクリスタル構造における六角格子穴を有するフォトニクスクリスタル膜が、1次元の高コントラストグレーティングと同等またはそれ以上の反射率とファインネスを達成できるか？
• RQ2 機械的に柔軟な PhC メンブレンを鏡として用いたファブリ・ペロー共振器で、得られる最大ファインネスは何か？
• RQ3 低出力光入射下で、この系がどのように光機械的二価性を示し、放射圧がヒステリシスを誘発する役割を果たすか？
• RQ4 空気中でも、動的バックアクションが1 MHzを超える機械的振動を誘発する程度は何か？また、静的二価性の観測にどのように影響を与えるか？
• RQ5 この系の1光子コープリティビティは何か？また、既存の光機械的プラットフォームと比較してどうか？

主な発見

• フォトニクスクリスタル膜は、記録的な高い反射率 R = 0.999835(6) を達成し、これに伴いファインネス F = 35,000(500) を実現した。
• ファインネスは波長依存性をローレンツ関数的に示し、PhC のフィルタリング特性と損失特性が全体の透過スペクトルに与える影響と整合的であった。
• 基本モードの機械的振動数は 426 kHz であり、光学的線幅を上回っており、この系が解像されたサイドバンド領域に明確に位置付けられていることを示した。
• 入力パワーが 500 μW 未満の範囲で、共振器透過特性に明確なヒステリシスとして光機械的二価性が観測された。
• 空気による減衰があっても、4 mW の入力パワーで、光的ばね定数効果により1 MHz を超える強力な機械的振動が誘発された。
• 1光子コープリティビティは C₀ = 6.6 × 10⁻³ と測定され、同様の系で一般的に見られる値（例：10⁻⁷ 〜 10⁻⁴）と比較して顕著に高く、強い光・物質結合を示した。