[論文レビュー] Phonon routing in integrated optomechanical cavity-waveguide systems

Kejie Fang, Matthew H. Matheny+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2015

Mechanical and Optical Resonators参考文献 48被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、分散設計されたフォノン波ガイドを介して結合された2つのオプトメカニカルキャビティを用いて、統合型オプトメカニカル回路におけるフォノンルーティングの可変性を実証している。光学的に入力するポンプの位相とパワーを制御することで、マイクロ波信号を光信号に遅延させるとともに、非再帰的伝送を実現し、422 MHzの結合強度で完全な遮断（逆方向伝送がゼロ）を達成可能である。これにより、オンチップフォノンベースの情報処理およびトポロジカルフォノンイクスが実現可能となる。

ABSTRACT

The mechanical properties of light have found widespread use in the manipulation of gas-phase atoms and ions, helping create new states of matter and realize complex quantum interactions. The field of cavity-optomechanics strives to scale this interaction to much larger, even human-sized mechanical objects. Going beyond the canonical Fabry-Perot cavity with a movable mirror, here we explore a new paradigm in which multiple cavity-optomechanical elements are wired together to form optomechanical circuits. Using a pair of optomechanical cavities coupled together via a phonon waveguide we demonstrate a tunable delay and filter for microwave-over-optical signal processing. In addition, we realize a tight-binding form of mechanical coupling between distant optomechanical cavities, leading to direct phonon exchange without dissipation in the waveguide. These measurements indicate the feasibility of phonon-routing based information processing in optomechanical crystal circuitry, and further, to the possibility of realizing topological phases of photons and phonons in optomechanical cavity lattices.

研究の動機と目的

• 統合型キャビティ-波ガイド系を用いて、フォノンのルーティングと処理が可能なチップスケールオプトメカニカル回路の開発。
• フォノン波ガイド内でのフォノン伝播を制御することで、マイクロ波-光信号遅延およびフィルタリングの可変性を実現。
• フォノン波ガイドを介して、遠く離れたオプトメカニカルキャビティ間で強い、非散乱的機械的結合を実現。
• オプトメカニカル格子系におけるトポロジカルフォノン相およびフォノンベースの量子情報処理の可能性の検討。
• 駆動場の位相およびポンプパワーの制御により、フォノン伝送における光学的非再帰性の実現。

提案手法

• 分散設計されたフォノン波ガイドを介して結合された2つのオプトメカニカル結晶キャビティを用い、制御されたフォノン輸送を実現。
• 各キャビティに別々の光学ポンプを用い、オプトメカニカル結合レートを独立に制御し、信号ルーティングの可変性を実現。
• 光学モードおよび機械的モードの連立運動方程式を用いてシステムをモデル化し、放射圧結合および波ガイドを介した結合を組み込む。
• 左および右方向の光学信号に対する透過係数を導出し、非再帰性がポンプ場の位相および振幅制御に起因することを示す。
• 完全非再帰性の条件を特定：位相差が±π/2であり、結合レートと有効損失レートが一致する場合、一方向フォノン伝送が可能。
• ブルー・デチューニングおよびレッド・デチューニングの両状態において、数値シミュレーションを実施し、高隔離および可変遅延を確認。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォノン波ガイドを用いた統合型オプトメカニカル回路で、フォノンのルーティングと遅延を実現できるか？
• RQ2 光学的制御により、チップスケールオプトメカニカル系で非再帰的フォノン伝送を達成できるか？
• RQ3 フォノンベースのマイクロ波-光信号処理において、完全隔離を達成するための条件は何か？
• RQ4 フォノン波ガイドを介して、遠く離れたキャビティ間で強い、非散乱的機械的結合を実現できるか？
• RQ5 本プラットフォームを用いて、オプトメカニカルキャビティ格子系でトポロジカルフォノン相を実現できる可能性は何か？

主な発見

• ポンプ位相差が±π/2であり、結合レートと有効損失レートが一致する場合、完全非再帰的伝送が達成可能で、一方向フォノンルーティングが可能となる。
• 通常のデバイスにおいて、完全非再帰性を達成可能な最大結合レートは422 MHzであり、実験的に達成可能な範囲内にある。
• 本システムは、光学ポンプの位相およびパワーの制御により、可変マイクロ波-光遅延ラインとして機能する。
• 数値的シミュレーションにより、最適条件下で透過方向の隔離比が100％に近づくことが確認され、ブルー・デチューニング状態では透過効率が90％を超える。
• 理論的および実験的結果から、フォノン波ガイドの群速度はブレーシングモード帯域全体で設計可能であり、遅いフォノン伝播が可能であることが示された。
• 2つのキャビティのハイブリダイズド機械的モードは空間的に広がっているが、局在化した光学モードと強いオプトメカニカル結合を維持しており、光学信号とマイクロ波信号間の効率的変換が可能である。