[論文レビュー] Demonstration of Ultra Low Dissipation Optomechanical Resonators on a Chip

G. Anetsberger, R. Rivière+3 more|ArXiv.org|Feb 29, 2008

Mechanical and Optical Resonators参考文献 2被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、光学的および機械的自由度を独立して制御可能なオンチップ光メカニカル共振器を実証し、超高光学ファインネス（10⁶を超える）と38 MHzで80,000に達する記録的な機械的Qファクターを達成した。トロイダル石ガラスマイクロキャビティにおける機械的ノーマルモード結合を活用することで、内在的材料損失制限の機械的Qファクターを達成し、散逸の定量的理解を可能にするとともに、量子領域におけるキャビティ光メカニカル系の実現に道を拓いた。

ABSTRACT

Cavity-enhanced radiation-pressure coupling of optical and mechanical degrees of freedom gives rise to a range of optomechanical phenomena, in particular providing a route to the quantum regime of mesoscopic mechanical oscillators. A prime challenge in cavity optomechanics has however been to realize systems which simultaneously maximize optical finesse and mechanical quality. Here we demonstrate for the first time independent control over both mechanical and optical degree of freedom within one and the same on-chip resonator. The first direct observation of mechanical normal mode coupling in a micromechanical system allows for a quantitative understanding of mechanical dissipation. Subsequent optimization of the resonator geometry enables intrinsic material loss limited mechanical Q-factors, rivalling the best values reported in the high MHz frequency range, while simultaneously preserving the resonators' ultra-high optical finesse. Besides manifesting a complete understanding of mechanical dissipation in microresonator based optomechanical systems, our results provide an ideal setting for cavity optomechanics.

研究の動機と目的

• 単一のオンチップ光メカニカル系で、同時に高光学ファインネスと高機械的Qファクターを達成すること。
• マイクロレゾネータにおいて長年の課題であった光学的および機械的設計の相関問題を克服すること。
• 最適化された性能を実現するため、光学的および機械的自由度を独立して制御できること。
• 機械的ノーマルモード結合の観察を通じて、機械的散逸の定量的理解を提供すること。
• 中間スケール光メカニカル系における基底状態冷却および量子測定に適したプラットフォームを実証すること。

提案手法

• 電子ビームリソグラフィーおよび反応性イオンエッチングを用いた幾何制御を精密に実施した一体型スポーク支持シリカトロイダルマイクロキャビティのプロセス。
• 固定境界条件を用いた3次元有限要素法（FEM）シミュレーションにより、固有振動数、応力、ひずみ、および機械的エネルギー分布をシミュレート。
• 干渉計的読み取りを用いて、光学ウィスピアリングギャラリーモードへの結合を通じて、20個以上の機械的モード（0–100 MHz）をモニタリング。
• 観測された回避レベルクロスイングに適合するカップリング調和振動子モデルを適用し、カップリングQファクターおよび周波数を抽出。
• 温度依存パラメータを用いて、内在的損失の理論モデル（二準位系（TLS）および非調和減衰）に実験的Qファクターをフィット。
• 変位感度を約10⁻¹⁹ m/√Hzまで低下させ、量子測定に適した高感度を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一のオンチップ光メカニカル共振器において、機械的および光学的自由度を独立して最適化できるか？
• RQ2 マイクロレゾネータにおける機械的ノーマルモード結合は、固定損失および機械的Qファクターにどのように影響するか？
• RQ3 機械的Qファクターは、幾何的または固定損失ではなく、内在的材料散逸によってどれほど制限されるか？
• RQ4 一体型デバイスで超高光学ファインネスと超高機械的Qファクターを同時に達成できるか？
• RQ5 幾何依存モード結合は、機械的散逸の定量的理解をどのように可能にするか？

主な発見

• 38 MHzで最大80,000の機械的Qファクターが達成され、同程度の周波数帯域で報告されたストレインシリコンナ nitrideおよびラジアルコンター・モードレゾネータの最高値と同等の性能を示した。
• 観測されたQファクターは、固定損失や幾何的損失ではなく、内在的材料散逸（二準位系（TLS）および非調和減衰）によってのみ制限されていることが判明した。
• 周波数スペクトルにおける回避レベルクロスイングを通じて、径方向呼吸モードと曲げモードのハイブリダイゼーションが直接観測され、ノーマルモード結合の存在が裏付けられた。
• FEMシミュレーションは実験データと良好に一致しており、測定値とシミュレートされたモードパターン間の周波数偏差が5%未満であった。
• 10–100 MHz帯で約10⁻¹⁹ m/√Hzの変位感度が達成され、高精度測定が可能となった。
• 損失モデルへのフィットから一貫したパラメータが得られた：log₁₀(τ₀) ≈ -12.1 から -12.05、C = 1.8×10⁻³、ζ = 0.28、V₀ = 667 K、および V₀/Δc = 7.7 であり、合成石ガラスの既知の範囲内に収まった。