[論文レビュー] Moving boundary and photoelastic coupling in GaAs optomechanical resonators

Krishna C. Balram, Marcelo Davanço+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2014

Mechanical and Optical Resonators参考文献 27被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、ガリウムヒ素（GaAs）マイクロディスクおよびナノビーム共振器におけるオプトメカニカル結合を調査し、移動界面効果とフォトエラスティック効果の両方が結合定数 $g_0$ に顕著な寄与をしていることを示している。特に、異方性フォトエラスティック係数のため、$g_0$ は面内デバイスの方位に30%の依存性を示し、[110]軸に沿って $g_0/2\pi = 1.1$ MHzに達する。これは、量子およびセンシング応用に適した高結合定数プラットフォームとしてのガリウムヒ素ナノビームオプトメカニカル結晶の可能性を示している。

ABSTRACT

Chip-based cavity optomechanical systems are being considered for applications in sensing, metrology, and quantum information science. Critical to their development is an understanding of how the optical and mechanical modes interact, quantified by the coupling rate $g_{0}$. Here, we develop GaAs optomechanical resonators and investigate the moving dielectric boundary and photoelastic contributions to $g_{0}$. First, we consider coupling between the fundamental radial breathing mechanical mode and a 1550 nm band optical whispering gallery mode in microdisks. For decreasing disk radius from $R=5$ $μ$m to $R=1$ $μ$m, simulations and measurements show that $g_{0}$ changes from being dominated by the moving boundary contribution to having an equal photoelastic contribution. Next, we design and demonstrate nanobeam optomechanical crystals in which a $2.5$ GHz mechanical breathing mode couples to a 1550 nm optical mode predominantly through the photoelastic effect. We show a significant (30 $\%$) dependence of $g_{0}$ on the device's in-plane orientation, resulting from the difference in GaAs photoelastic coefficients along different crystalline axes, with fabricated devices exhibiting $g_{ ext{0}}/2π$ as high as 1.1 MHz for orientation along the [110] axis. GaAs nanobeam optomechanical crystals are a promising system which can combine the demonstrated large optomechanical coupling strength with additional functionality, such as piezoelectric actuation and incorporation of optical gain media.

研究の動機と目的

• ガリウムヒ素（GaAs）共振器における移動誘電体境界とフォトエラスティック効果が、オプトメカニカル結合定数 $g_0$ にどのように寄与するかを理解・定量すること。
• 小半径ガリウムヒ素（GaAs）マイクロディスクでは、フォトエラスティック効果が移動境界効果を上回るようになることの実証。
• フォトエラスティック効果を活用した高 $g_0$ を実現するガリウムヒ素（GaAs）ナノビームオプトメカニカル結晶の設計およびプロトタイピング。
• ガリウムヒ素（GaAs）における異方性フォトエラスティック係数に起因する、$g_0$ の面内結晶方位依存性の解明。
• 室温で高機械的品質因子（$Q_m \approx 2000$）を達成し、放射圧駆動の自己発振を観測すること。

提案手法

• 有限要素法（FEM）を用いて、ガリウムヒ素（GaAs）マイクロディスクおよびナノビームにおける光学ウィスピングガーデンモードと径方向呼吸モードをモデル化した。
• 摂動式 $\frac{d\omega}{d\alpha} = \frac{\omega_0 \epsilon_0 n^4}{2} \frac{\int_{GaAs} \mathbf{E}^* \cdot \mathbf{p} \cdot \mathbf{S} \cdot \mathbf{E} dx}{\int \epsilon |E|^2 dx}$ を用いて、オプトメカニカル結合定数 $g_0$ を計算し、移動境界効果（$g_{0,MB}$）とフォトエラスティック効果（$g_{0,PE}$）の寄与を分離した。
• 結晶方位依存の変換を用いてフォトエラスティックテンソルを回転させ、ガリウムヒ素（GaAs）の異なる軸に沿った異方性応答をモデル化した。
• 実験では、ガリウムヒ素（GaAs）マイクロディスク（半径1–5 μm）およびナノビームを用いて、光学透過度、熱雑音、位相変調法およびキャリブレーションを用いた $g_0$ の測定を実施した。
• ガリウムヒ素（GaAs）の単結晶弾性定数から導かれた異方性弾性テンソルを用いて、機械モード周波数および変位プロファイルをシミュレーションした。
• 特に[100]および[110]軸に沿ってデバイスをプロトタイピングすることで、$g_0$ の面内方位依存性を実験的に検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ガリウムヒ素（GaAs）マイクロディスクオプトメカニカル共振器において、移動誘電体境界効果とフォトエラスティック効果が、ディスク半径の関数として $g_0$ にどのように寄与するか。
• RQ2 小半径ガリウムヒ素（GaAs）マイクロディスク（例：R = 1 μm）において、フォトエラスティック効果と境界移動効果の相対的寄与はどの程度か。
• RQ3 ガリウムヒ素（GaAs）ナノビームオプトメカニカル結晶において、$g_0$ は面内結晶方位にどの程度依存するか。
• RQ4 ガリウムヒ素（GaAs）ナノビームオプトメカニカル結晶は、室温で高 $g_0$ 値と高機械的 $Q$ 因子を同時に達成できるか。
• RQ5 ガリウムヒ素（GaAs）の弾性およびフォトエラスティック性の異方性が、ナノビーム構造における機械モードプロファイルおよび周波数にどのように影響するか。

主な発見

• ガリウムヒ素（GaAs）マイクロディスクにおいて、オプトメカニカル結合定数 $g_0$ は、半径5 μmでは移動境界効果が支配的であったのに対し、半径1 μmではフォトエラスティック効果と同等の寄与を示した。
• ガリウムヒ素（GaAs）ナノビームオプトメカニカル結晶では、フォトエラスティック効果が $g_0$ の主因となっており、[110]結晶軸に沿って $g_0/2\pi$ が1.1 MHzに達した。
• 実験的に、$g_0$ が面内方位に30%依存することを観測し、これはガリウムヒ素（GaAs）に顕著な異方性フォトエラスティック係数 $p_{12}$ に起因する。
• ガリウムヒ素（GaAs）ナノビームにおける機械的呼吸モード周波数は、[100]と[110]方位で100 MHzのシフトを示し、測定値は約85 MHzで、シミュレーションと良好に一致した。
• 室温・大気圧下で機械的品質因子 $Q_m \approx 2000$ を測定し、放射圧駆動のダイナミカルバックアクションにより自己発振を観測した。
• シミュレーションでは、$g_{0,MB}$ が異方性ガリウムヒ素（GaAs）において方位依存性を示し、[100]軸に沿って $-73$ kHz、[110]軸に沿って $-15$ kHz であったが、$g_{0,PE}$ はすべての方位で支配的寄与を示した。