[論文レビュー] Tunable pulse delay and advancement in a coupled nanomechanical resonator-superconducting microwave cavity system

Cheng Jiang, Bin Chen+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 16, 2010

Mechanical and Optical Resonators被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、強いポンプ場の制御を用いて、ナノメカニカルレゾネータと超伝導マイクロ波キャビティの結合系において、調整可能なマイクロ波パルス遅延および進行を提案する。ポンプ-キャビティ周波数差を赤側帯または青側帯条件に調整することにより、制御可能な遅速光（遅延）または高速光（進行）効果を実現でき、ポンプパワーを変更することで遅延または進行の大きさを連続的に調整可能であり、低出力条件下でも最大0.2 msの群遅延を達成する。

ABSTRACT

We theoretically study the transmission of a weak probe field under the influence of a strong pump field in a coupled nanomechanical resonator-superconducting microwave cavity system. Using the standard input-output theory, we find that both pulse delay (slow light effect) and advancement (fast light effect) of the probe field can appear in this coupled system provided that we choose the suitable detuning of the pump field from cavity resonance. The magnitude of the delay (advancement) can be tuned continuously by adjusting the power of the pump field. This technique demonstrates great potential in applications including microwave phase shifter and delay line.

研究の動機と目的

• カップリングされたナノメカニカルレゾネータ-超伝導マイクロ波キャビティ系において、調整可能なマイクロ波パルス遅延および進行を実証すること。
• ポンプ場制御を用いて、1つのプラットフォームで遅速光効果の両方を達成する可能性を検討すること。
• ポンプパワーの調整により、群遅延または進行の大きさを連続的に制御可能にすること。
• この系が、遅延ラインや位相シフターなどのマイクロ波フォトニクス分野への応用にどのように有用であるかを調査すること。

提案手法

• システムは、キャパシティブに結合されたナノメカニカルレゾネータと超伝導マイクロ波キャビティから構成され、強いポンプ場と弱いプローブ場がキャビティを駆動する。
• 理論的分析は、ポンプ周波数で回転フレームをとった入出力理論およびハミルトニアンモデルに基づくもので、キャビティ-レゾネータ結合および外部場駆動を含む。
• 結合定数λは、機械的変位がキャビティ共鳴周波数に与える影響から導出され、λ = gδx_zp と表される。ここでgは周波数微係数、δx_zpはゼロ点運動である。
• システムは解像された側帯領域（ω_n > κ）で動作し、強い結合および冷却条件を満たす。
• パルス遅延および進行は、透過プローブ場の位相分散から導かれる群遅延τ_gにより分析される。
• プローブ場の群速度は、ポンプ-キャビティ周波数差Δ_pを±ω_nに調節することで制御可能であり、赤側帯（遅延）または青側帯（進行）動作を可能にする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 1つのポンプ場を用いて、ナノメカニカルレゾネータ-超伝導マイクロ波キャビティ系で、パルス遅延と進行の両方を達成できるか？
• RQ2 ポンプパワーが、この系における群遅延または進行の大きさにどのように影響を与えるか？
• RQ3 ポンプ-キャビティ周波数差（Δ_p）は、遅速光領域間の切り替えに果たす役割は何か？
• RQ4 この系は、顕著な吸収または増幅を伴わず、遅延または進行を調整可能か？
• RQ5 実験的に実現可能な条件下で、得られる最大の群遅延または進行の大きさは何か？

主な発見

• キャビティが赤側帯（Δ_p = ω_n）で駆動されると、Δ_r = 0の周囲に急勾配の正の位相分散を持つ狭帯域透過窓が形成され、遅速光効果とパルス遅延が生じる。
• ポンプパワー8 nWで群遅延τ_gは最大0.2 msに達し、ポンプパワーによる強い調整性が示された。
• 青側帯（Δ_p = -ω_n）で駆動されると、急勾配の負の位相分散を持つ狭帯域透過窓が出現し、高速光とパルス進行が可能になる。
• 青側帯駆動下では群遅延が負値を示し、時間的に進行した出力パルスが得られ、高速光領域が確認された。
• ポンプ周波数をキャビティ共鳴周波数付近でスキャンすることで、遅延と進行の間を連続的に切り替え可能であり、吸収または増幅は最小限に抑えられる。
• 透過窓は、プローブ場とアンチストokes（赤側帯）またはストークス（青側帯）場の間の破壊的干渉によって生じる。これは、電磁誘起透過と類似している。