[論文レビュー] Efficient tunable switch from slow light to fast light in quantum opto-electromechanical system

M. Javed Akram, Khalid Naseer+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、2つの静電的結合した力学的共振子を介して、プローブ透過においてスローライトからファストライトへのチューナブルなスイッチを可能にするハイブリッド量子オプトエレクトロメカニカルシステム（QOEMS）を提案する。Coulomb結合強度 $g_c$ を制御することにより、$g_c \neq 0$ のときスローライト（遅延）に、$g_c = 0$ のときファストライト（進み）に遷移する。両効果が透過プローブ場で観測され、キャビティ減衰に対して優れたスローライト性能のロバストネスを示す。

ABSTRACT

The control of slow and fast light propagation, in the probe transmission in a single experiment, is a challenging task. This type of control can only be achieved through highly nonlinear interactions and additional interfering pathway(s), which is therefore seldom reported. Here, we devise a scheme in which slow light, and a tunable switch from slow light to fast light can be achieved in the probe transmission based on a hybrid setup, which is composed of an optical cavity with two charged nano mechanical resonators (MRs). The two MRs are electrostatically coupled via tunable Coulomb coupling strength ($g_{c}$) making a quantum opto-electromechanical system (QOEMS). The parameter $g_{c}$ that couples the two MRs can be switched on and off by controlling the bias voltages on the MRs, and acts as a tunable switch that allows the propagation of transmitted probe field as slow light ($g_{c} eq 0$) or fast light ($g_{c} = 0$). In our scheme, the magnitude of delay and pulse advancement can be controlled by tuning the Coulomb interaction and power of the pump field. Furthermore, we show that slow light regime in our model is astonishingly robust to the cavity decay rate. In comparison with previous schemes, our scheme has clear advantages that empowers the state-of-the-art photonic industry as well as reflects the strength of emerging hybrid technologies.

研究の動機と目的

• 同一実験的セットアップ内で、スローライトとファストライトの伝播を制御可能にすること。
• 従来の手法がスローライトとファストライトのための別々の透過・反射チャネルを必要としていたという制限を克服すること。
• ハイブリッドオプトメカニカル結合を活用し、群速度制御における高いチューナビリティとロバストネスを実現すること。
• キャビティ減衰率が現実的な値である場合でも、スローライト効果が安定することを示すことにより、実用的応用性を高めること。

提案手法

• システムは、放射圧および静電的Coulomb相互作用を介して2つの帯電ナノメカニカル共振子（MRs）に結合された高Qファブリペロークイリックに構成される。
• 2つのMR間のCoulomb結合強度 $g_c$ は印加電圧によって調整可能であり、これにより力学的モードのハイブリダイゼーションが動的に制御可能となる。
• ポンプパワーと $g_c$ を変化させた条件でプローブ場透過を分析し、群遅延および位相応答を用いてスローライトおよびファストライト領域を同定する。
• 理論的モデルは、オプトメカニカル結合 $g_o$、Coulomb結合 $g_c$、キャビティ減衰率 $\kappa$ を含むハミルトニアンを用い、線形化領域で解く。
• 数値的に透過スペクトルおよび群遅延を計算し、$g_c$ をオフにすることでスローライトからファストライトへの遷移をマッピングする。
• キャビティ減衰率 $\kappa$ を変化させた場合の群遅延の変化を解析することで、スローライトのキャビティ減衰に対するロバストネスを定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一実験的セットアップで、透過プローブ場にスローライトとファストライトの両方を同時に実現できるか？
• RQ2 2つの力学的共振子間のCoulomb結合強度 $g_c$ が、スローライトからファストライトへの遷移をどのように制御するか？
• RQ3 スローライト領域がキャビティ減衰率 $\kappa$ に対してどれほど耐性を示すか？
• RQ4 同じ構成で、ポンプパワーと $g_c$ を用いて、パルス遅延と進みを独立に制御できるか？
• RQ5 追加の力学的共振子が、群速度制御のためのチューナブルな透過窓を生成する役割を果たすか？

主な発見

• Coulomb結合強度 $g_c$ をオフにすることで、バイアス電圧制御により実験的に実現可能なチューナブルなスイッチにより、プローブ透過においてスローライトからファストライトへの切り替えが達成された。
• スローライト（負の群遅延を伴う）とファストライト（正の群遅延を伴う）の両方が、透過プローブ場で観測され、1つのセットアップで完全な制御が可能となった。
• スローライト領域はキャビティ減衰率 $\kappa$ に対して顕著なロバストネスを示し、高 $\kappa$ 値でも顕著な群遅延が維持された。
• パルス遅延および進みの大きさは、ポンプパワーと $g_c$ を調整することでチューニング可能であり、光信号伝搬の動的制御が可能となった。
• 2つの力学的共振子のハイブリダイゼーションにより、2つの明確な透過窓が生成され、干渉効果によるスイッチングメカニズムが実現された。
• ファストライト行動（負の群遅延を特徴とする）は、キャビティ減衰率が低いほど顕著に現れ、高品質キャビティでは超光速効果が強化されることを示した。