[論文レビュー] High-Efficiency Low-Noise Optomechanical Crystal Photon-Phonon Transducers

Sameer Sonar, Utku Hatipoğlu+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 22, 2024

Mechanical and Optical Resonators被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、ミリケルビン温度下で音響加熱を6倍低減するサイドカップリング型2次元光力学的キログラム（2D-OMC）共鳴器を提示する。これにより、93.1 ± 0.8%の効率でフォノンから光子への変換が可能となり、追加される量子数はたったの0.25 ± 0.01にとどまる。この設計は、機械的および光学的波ガイドを分離しつつも、表面モード結合を維持することで、余分な吸収に起因する熱雑音を顕著に低減する。

ABSTRACT

Optomechanical crystals (OMCs) enable coherent interactions between optical photons and microwave acoustic phonons, and represent a platform for implementing quantum transduction between microwave and optical signals. Optical absorption-induced thermal noise at cryogenic (millikelvin) temperatures is one of the primary limitations of performance for OMC-based quantum transducers. Here, we address this challenge with a two-dimensional silicon OMC resonator that is side-coupled to a mechanically detached optical waveguide, realizing a six-fold reduction in the heating rate of the acoustic resonator compared to prior state-of-the-art, while operating in a regime of high optomechanical-backaction and millikelvin base temperature. This reduced heating translates into a demonstrated phonon-to-photon conversion efficiency of 93.1 $\pm$ 0.8% at an added noise of 0.25 $\pm$ 0.01 quanta, representing a significant advance toward quantum-limited microwave-optical frequency conversion and optically-controlled quantum acoustic memories.

研究の動機と目的

• ミリケルビン温度下で動作する光力学的キログラム（OMC）における光学吸収に起因する熱雑音を克服すること。
• 光力学的結合や光学的品質因数を損なわず、音響共鳴器の加熱を低減すること。
• 追加雑音を最小限に抑えることで、高精度な量子変換および光で制御可能な量子音響メモリを実現すること。
• 機械的に分離されたサイドカップリング型2次元OMC構造を設計し、共鳴器から熱の流入を遮断しながらも、表面モードによる光学結合を維持すること。

提案手法

• スノーフレーク格子と中心部にフィッシュボーン波ガイドを有するシリコンオンインシュレータ（SOI）基板上に2次元シリコン光力学的キログラム（OMC）を設計し、光学モードおよび音響モードを閉じ込める。
• OMC共鳴器から機械的に分離されたサイドカップリング型光学波ガイドを実装し、半分のスノーフレークユニットセルを介して表面モード結合を維持する。
• 有限要素法（FEM）シミュレーションを用いて光学モードおよび音響モードの分布を最適化し、それぞれ1550 nmおよび10.3 GHzで強い閉じ込めを達成する。
• 光力学的サイドバンド熱力学測定法を用いて、連続的およびパルス的光励起下での有効フォノン浴温度および加熱速度を測定する。
• 加熱速度のパワー則スケーリング解析を適用し、フォノン浴の次元性を抽出し、支配的エネルギー散逸機構を同定する。
• さまざまな光出力および基底温度下でのフォノンから光子への変換を測定し、変換効率および追加雑音を評価する。

Figure 2: Characterization of optical absorption-induced hot bath. a, Schematic showing interactions of the acoustic resonator with various baths considered in our heating model. b, Schematic of measurement setup for time-resolved measurements of the hot bath using single-photon counting on the opti

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光学波ガイドをOMC共鳴器から機械的に分離することで、結合の劣化を伴わず余分な加熱を低減できるか？
• RQ2 加熱が低減することで、ミリケルビン温度下におけるフォノン占有数および光力学的変換における追加雑音にどのような影響を与えるか？
• RQ3 従来の1次元およびバットカップリング型OMCと比較して、サイドカップリング型2次元OMC構造は加熱速度および変換効率においてどのように異なるか？
• RQ4 2次元OMCの高出力領域におけるフォノン浴の次元性および支配的エネルギー散逸機構は何か？
• RQ5 連続波動作下で、低雑音かつ高効率を実現し、近似的に量子制限性能に達することができるか？

主な発見

• サイドカップリング型2次元OMC構造は、従来の最先端OMCと比較して、音響共鳴器の加熱速度を6倍低減した。
• パルス励起下でフォノンから光子への変換効率は93.1 ± 0.8%に達し、追加される量子数はたった0.25 ± 0.01にとどまる。
• 連続波動作下では97%の変換効率を達成し、熱的占有数は0.42にとどまり、1次元OMCと比較して1桁低い。
• 1光子の予報率は465 Hz（1次元OMCの20 Hzと比較）に向上し、光子一致率は21 Hzに達し、約500倍の改善を示した。
• 加熱速度のパワー則スケーリング解析から、フォノン浴の次元性は約2であることが示され、2次元熱伝導と整合的であり、高出力領域では0.29のパワー則を示した。
• 本デバイスは1.1 MHzの高い光力学的バックアクションレートを示し、ミリケルビン温度下で強い結合および効率的な量子変換を可能にした。

Figure 3: Phonon-to-photon transduction under continuous-wave excitation. a, Schematic of measurement setup showing single-photon counting of up-converted photons at the optical resonance frequency with the OMC pumped continuously on the red-detuned sideband ( $\Delta=-\Omega_{\text{m}}$ ) of the op