[論文レビュー] Long-range Synchronization of Nanomechanical Oscillators with Light

Shreyas Y. Shah, Mian Zhang+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2015

Mechanical and Optical Resonators被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、光ファイバー結合を介して30メートル離れた2つのナノメカニカルオシレーターの長距離同期を実証しており、光の有限な速度に起因する139ナノ秒の遅延が生じる。顕著な結合遅延があるにもかかわらず、方向性結合強度を独立して制御することにより、周波数を調整可能な複数の安定した同期状態が達成され、再構成可能なRFネットワークおよびニューロモーラルコンピューティングプラットフォームの実現が可能となる。

ABSTRACT

We experimentally demonstrate mutual synchronization of two free-running nanomechanical oscillators separated by an effective distance of 30 meters and coupled through light. Due to the finite speed of light, the large separation introduces a significant coupling delay of 139 nanoseconds, approximately four and a half times the mechanical oscillation time period. We reveal multiple stable states of synchronized oscillations, enabled by delayed coupling, with distinct synchronization frequency in the coupled system. These states are accessed by tuning independently the directional coupling strengths. Our results demonstrate rich dynamics and could enable applications in reconfigurable radio-frequency networks and novel computing concepts.

研究の動機と目的

• 通常のマイクロメータースケールの結合範囲をはるかに超える30メートルの距離において、ナノメカニカルオシレーターの相互同期を達成すること。
• 低損失の光ファイバーを用いて変調された光信号を伝送することで、ナノメカニカルシステムにおける長距離結合の課題を克服すること。
• 時間遅延付き結合が、結合された非線形オシレーターの同期ダイナミクスに与える影響を調査すること。
• 方向性結合強度を独立して制御することで、複数の安定した同期周波数にアクセスできることを示すこと。
• 制御可能な同期状態を通じて、再構成可能な無線周波数ネットワークおよびニューロモーラルコンピューティングへの新応用を可能にすること。

提案手法

• Si3N4/SiO2膜上に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て、二重マイクロディスク構造に基づく2つのオプトメカニカルオシレーター（OMOs）が作製された。
• 各OMOは連続波レーザーを用いて駆動され、透過光強度にRF変調が生じ、自己駆動振動が発生する。
• 光ファイバーを用いて2つのOMO間でRF変調光を伝送し、往復遅延が139ナノ秒（機械的振動周期のおよそ4.5倍）となる。
• 可変光減衰器を用いて、OMO1からOMO2および逆方向への信号伝播強度を独立して調整する方向性結合強度（κ₁₂およびκ₂₁）を制御した。
• 透過光のRFパワースペクトルを測定することで同期を観測し、結合比に応じて明確に分離されたロック周波数が観察された。
• 時間遅延を含む結合非線形オシレーター方程式を用いてシステムをモデル化し、同期周波数Ω_snを自然周波数差（Ω₂ − Ω₁）で正規化した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 光結合を用いて、数十メートルの距離におけるナノメカニカルオシレーターの同期が可能か？
• RQ2 顕著な時間遅延（139ナノ秒）が、結合されたナノメカニカルシステムの同期ダイナミクスにどのように影響するか？
• RQ3 方向性結合強度を調整することで、異なる周波数を持つ複数の安定した同期状態にアクセス可能か？
• RQ4 非対称結合（κ₁₂ ≠ κ₂₁）は、対称系では到達できない新たな同期周波数を実現するために果たす役割は何か？
• RQ5 このようなシステムは、通信およびコンピューティング用途における再構成可能で多状態の同期をサポートできるか？

主な発見

• 28.5メートルの光ファイバー路を介した2つのナノメカニカルオシレーターの相互同期が、139ナノ秒の結合遅延を伴って実験的に実証された。
• 方向性結合強度比（κ₁₂/κ₂₁）を調整することにより、明確に分離された異なる振動周波数を持つ複数の安定した同期状態が観測された。
• κ₁₂/κ₂₁比が6.3 dBのとき、32.93 MHzおよび32.94 MHzの2つの同期状態が観察され、それぞれΩ_sn = 0.65および0.85に対応した。
• κ₁₂/κ₂₁比が13.6 dBのとき、従来の低い比では到達不可能だった新たな同期周波数Ω_sn = 0.4が達成された。
• 同期周波数は自然周波数範囲にわたって離散的な値をとり、κ₂₁およびκ₁₂/κ₂₁のパrameter空間に4つの明確なクラスタを形成した。
• κ₁₂およびκ₂₁の独立した制御により、非自明な同期状態にアクセス可能であり、κ₁₂/κ₂₁が小さい場合にはマスタースレーブロック（主従同期）が、結合がバランスしている場合には対称的ロック状態が実現された。