[論文レビュー] Diamond nanobeam waveguide optomechanics

Behzad Khanaliloo, Harishankar Jayakumar+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2015

Mechanical and Optical Resonators被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、スケーラブルなアンダーカットエッチングを用いて、ダイヤモンドナノビーム波導における高感度光機械結合を実証した。35 GHz/nmの帯域幅と9.5 fm/√Hzの変位感度を達成し、量子系との統合を可能にした。デバイスは高品質な機械的共振（5 Kで最大7.2×10⁵）を支持し、1 μW未満の光パワーで200 nmを超える振幅の機械的自己発振を示した。

ABSTRACT

Optomechanical devices sensitively transduce and actuate motion of nanomechanical structures using light. Single--crystal diamond promises to improve the performance of optomechanical devices, while also providing opportunities to interface nanomechanics with diamond color center spins and related quantum technologies. Here we demonstrate dissipative waveguide--optomechanical coupling exceeding 35 GHz/nm to diamond nanobeams supporting both optical waveguide modes and mechanical resonances, and use this optomechanical coupling to measure nanobeam displacement with a sensitivity of $9.5$ fm/$\sqrt{ ext{Hz}}$ and optical bandwidth $>150$nm. The nanobeams are fabricated from bulk optical grade single--crystal diamond using a scalable undercut etching process, and support mechanical resonances with quality factor $2.5 imes 10^5$ at room temperature, and $7.2 imes 10^5$ in cryogenic conditions (5K). Mechanical self--oscillations, resulting from interplay between photothermal and optomechanical effects, are observed with amplitude exceeding 200 nm for sub-$\mu$W absorbed optical power, demonstrating the potential for optomechanical excitation and manipulation of diamond nanomechanical structures.

研究の動機と目的

• 単結晶ダイヤモンドナノビーム波導に光学モードと機械モードを統合したスケーラブルなプロセスを開発すること。
• ナノメカニカルセンシングにおける感度と帯域幅を向上させるために、ダイヤモンドにおける高効率光機械結合を達成すること。
• 室温および低温（5 K）における機械的品質因子がそれぞれ2.5×10⁵および7.2×10⁵を超えることを実証すること。
• 1 μW未満の光パワーでナノメカニカル運動の光学的駆動と検出を可能にし、量子応用を支援すること。

提案手法

• バルク光学用単結晶ダイヤモンド上でのスケーラブルなアンダーカットエッチングプロセスを用いたダイヤモンドナノビームのプロセス。
• 横磁気（TM）光学モードと局所化された機械的共振を同時に支持する波導構造の設計。
• 光路長および伝搬損失の変化を通じて機械的運動を変換する、散逸型光機械結合の利用。
• 光学帯域が150 nmを超える干渉計的手法を用いて変位感度を測定。
• エネルギー散逸および熱雑音を評価するため、室温および5 Kでの機械的品質因子を同定。
• 1 μW未満の光パワーを適用し、光熱効果および光機械フィードバックを誘発し、自己発振を誘導。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スケーラブルなプロセスを用いて、単結晶ダイヤモンドナノビーム波導で高効率光機械結合を達成できるか？
• RQ2 室温および低温（5 K）におけるダイヤモンドナノビームの機械的品質因子はどの程度か？
• RQ3 広帯域光学プローブを用いた場合、光機械系の変位感度はどの程度か？
• RQ4 1 μW未満の光パワーでダイヤモンドナノビームに機械的自己発振を誘導できるか？
• RQ5 光機械系は、量子技術のためのダイヤモンド色中心スピンとどの程度統合可能か？

主な発見

• 散逸型光機械結合が35 GHz/nmを超えることを達成し、機械的運動の高感度変換を実現した。
• 9.5 fm/√Hzの変位感度が測定され、光学領域でフェムトメーター未満の分解能を実現した。
• 光学帯域が150 nmを超えるため、機械的ダイナミクスの広帯域光学プローブが可能となった。
• 室温で2.5×10⁵、5 Kで7.2×10⁵の機械的品質因子が達成され、エネルギー散逸が低いことが示された。
• 1 μW未満の吸収光パワー下で200 nmを超える振幅の機械的自己発振が観測され、強力な光機械フィードバックが確認された。
• スケーラブルなアンダーカットエッチングプロセスにより、光学的および機械的機能を統合した単結晶ダイヤモンドナノビームの高精度なプロセスが可能となった。