[論文レビュー] Cavity optomechanics with surface acoustic waves

Ayato Okada, Fumikazu Oguro+5 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2017

Mechanical and Optical Resonators参考文献 36被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、圧電性LiNbO₃基板における光弾性効果を介して表面弾性波（SAW）と光学ファブリ-ペロー共振器を結合するキャビティ光力学系を提示する。光弾性のテンソル的性質を活用することで、偏光依存の光子-SAW結合を実現し、$ g_0/2\pi = 60 $ mHzの光力学結合率を達成する。キャビティの小型化とモード重ね合わせの向上により、最大で約10 Hzまで向上可能である。

ABSTRACT

We report a development of an electro-optomechanical system based on a surface acoustic wave (SAW), where a piezoelectric material with a large optoelastic susceptibility is used for the coupling of both a radio wave and optical light to the SAW. In the optical domain, we exploit a tensorial nature of the optoelastic effect to show a polarization dependence of the photon-SAW interaction. We discuss the construction of two-dimensional SAW focusing circuits for the coupling enhancement and the optical cavity enhanced photon-phonon scattering. We estimate an optomechanical coupling rate $g_0$ of the system and discuss the future direction for the improvement of the coupling strength.

研究の動機と目的

• 圧電性基板を介して高光弾性感受度を有するRF-SAWと光学キャビティを結合する電気的-光力学系の開発。
• SAW基板における光弾性効果の異方的テンソル的性質を活用し、偏光依存の光力学結合を実証すること。
• 2次元SAW集光回路と光学キャビティの強化を用いて、光子-格子振動子結合を強化すること。
• 達成可能な光力学結合率 $ g_0 $ の推定と、機械的モードの量子制御を可能にするための向上ルートの同定。

提案手法

• 87 MHzで励振されるSAWを、同心型ブローチミラーと交差型電極構造（IDT）を用いてY切片LiNbO₃基板上に平面的につくり、SAWを閉じ込める。
• 焦点を合わせたレーザー光ビームをSAW共振器上に走査し、キャビティ長の光弾性的変調を測定。光学信号変調を抽出するために混合検波とロックイン増幅が用いられる。
• 測定された光学位相シフトとSAWの零点運動を用いて、関係式 $ g_0 = \partial \omega_c / \partial x \cdot \delta x $（$ \delta x $ は零点運動に起因する有効キャビティ長の揺らぎ）から光力学結合率 $ g_0 $ を導出する。
• 理論的モデルにより、SAW波長 $ \lambda_{\rm SAW} = 40~\mu\text{m} $ とモード面積を用いて、零点ひずみ振幅 $ U_{\rm zpf} \approx 1 \times 10^{-2} $ fm の推定値が得られ、実験的推定値と整合的である。
• 実際の条件下でのコープリティビティ $ C $ の評価を行い、キャビティ長の短縮とQファクターの向上により $ C \approx 1 $ が達成可能であると示唆される。
• 光学波ガイドをSAW共振器の下に埋め込むことで、光場と音響場の位相一致と並進波数の重ね合わせを実現する設計戦略を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 圧電性基板内の表面弾性波が、光弾性効果を介して光学キャビティと強く、偏光依存の光力学結合を実現できるか。
• RQ2 平面的SAW共振器がファブリ-ペローキャビティに結合された場合の達成可能な光力学結合率 $ g_0 $ は何か。また、キャビティ長とモード重ね合わせにどのように依存するか。
• RQ3 SAW基板の異方性と光弾性効果のテンソル的性質が、光子-SAW相互作用の偏光依存性にどのように影響するか。
• RQ4 SAWベースの光力学系で高Qファクターと強い結合を達成するための主な制限要因は何か。それらはどのように緩和できるか。
• RQ5 システムをスケーリングすることでコープリティビティ $ C \approx 1 $ を達成可能か。これにより、SAWモードのレーザー冷却などの量子制御が可能になるか。

主な発見

• 光力学結合率 $ g_0/2\pi $ は実験的に60 mHzに測定され、光弾性効果による明確な光子-SAW相互作用が確認された。
• SAWの零点ひずみ振幅は $ U_{\rm zpf} = 0.5 \times 10^{-2} $ fm と推定され、理論的推定値 $ 1 \times 10^{-2} $ fm と整合的であり、測定モデルの妥当性が裏付けられた。
• Y切LiNbO₃基板に内在する異方的光弾性テンソルのおかげで、偏光調整によるSAWモードの光学的制御が可能な偏光依存結合を示した。
• 理論的解析により、光学キャビティ長を300 μmに短縮し、ファイバー型キャビティを用いることで $ g_0 $ が約10 Hzまで向上可能であると示された。これは最先端のマイクロ波-光変換器と同等の性能である。
• 機械的Qファクターが $ 10^5 $、光学入力パワーが10 mWで、キャビティ長の短縮が可能な場合、システムのコープリティビティ $ C $ は約1に達する可能性があり、SAWモードの量子制御が可能になる。
• 速度分散効果を低減する観点から、イソトロープな基板上にAlNやZnOなどのイソトロープな圧電材料を用いることが、より高いQファクターへの道筋であると提案された。