[논문 리뷰] Cavity optomechanical bistability with an ultrahigh reflectivity photonic crystal membrane

Feng Zhou, Yiliang Bao외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 18.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 1550 nm에서 작동하도록 최적화된 2차원 광학 격자(PhC) 막대를 사용하여 초고반사율(R = 0.999835)을 달성한 광학 격자 막대를 제작하고, 이를 파비-페로 공진기의 한 면거울로 사용하여 기록적인 편율(F = 35,000(500))을 달성하였다. 이 시스템은 1 mW 미만의 입력 전력에서도 강력한 옵티모메커니컬 이중성질을 보이며, 공기 저항에도 불구하고 높은 기계적 품질 인자(Q = 1.1 × 10⁶)와 낮은 질량 덕분에 1 MHz를 초과하는 기계적 진동을 유도하는 강력한 동적 반작용을 나타낸다.

ABSTRACT

Photonic crystal (PhC) membranes patterned with sub-wavelength periods offer a unique combination of high reflectivity, low mass, and high mechanical quality factor. We demonstrate a PhC membrane that we use as one mirror of a Fabry-Perot cavity with finesse as high as $F=35,000(500)$, corresponding to a record high PhC reflectivity of $R=0.999835(6)$. The fundamental mechanical frequency is 426 kHz, more than twice the optical linewidth, placing it firmly in the resolved-sideband regime. The mechanical quality factor in vacuum is $Q=1.1(1) imes 10^6$, allowing us to achieve values of the single-photon cooperativity as high as ${\cal C}_0=6.6 imes10^{-3}$. We easily see optomechanical bistability as hysteresis in the cavity transmission. As the input power is raised well beyond the bistability threshold, dynamical backaction induces strong mechanical oscillation above 1~MHz, even in the presence of air damping. This platform will facilitate advances in optomechanics, precision sensing, and applications of optomechanically-induced bistability.

연구 동기 및 목표

• 초고반사율을 갖는 광학 격자 막대를 개발하여 고편율 옵티모메커니컬 공진기에서 활용할 수 있도록 한다.
• 1550 nm에서의 작동을 최적화한 PhC 기하구조를 통해 기록적인 높은 공진기 편율을 달성한다.
• 높은 기계적 품질 인자와 낮은 질량을 갖는 시스템에서 옵티모메커니컬 이중성질을 입증한다.
• 해결된 사이드밴드 영역에서 정적 이중성질과 동적 반작용 간의 상호작용을 탐구한다.
• 미래의 양자 옵티모메커니컬 응용, 정밀 센서 기술 및 올옵티컬 비선형 장치에 기여할 수 있도록 한다.

제안 방법

• 전자선 리소그래피와 반응성 이온 에칭을 이용해 220 nm 두께의 실리콘nitride 막대에 정육각형 격자 구조의 원형 구멍을 형성하였다.
• S⁴ 소프트웨어와 엄밀한 커플드 웨이브 분석(RCWA)을 사용하여 1550 nm에서의 반사율을 최대화하기 위해 PhC 기하구조를 최적화하였다.
• PhC 막대를 파비-페로 공진기의 한 면거울로 통합하고, 전송 스펙트럼 피팅과 로렌츠 선형형태 분석을 통해 편율을 측정하였다.
• 입력 레이저의 주파수를 변조하여 공진기 전송에서의 히스테리시스를 관측하고, 이중성질 영역을 식별하였다.
• 다양한 입력 전력 조건에서 기계적 반응을 측정하여, 동적 반작용에 의해 기인하는 강력한 기계적 진동을 관찰하였다.
• 진공 상태에서 단일 광자 협동성(C₀ = 6.6 × 10⁻³)과 기계적 품질 인자(Q = 1.1 × 10⁶)를 계산하여 양자 옵티모메커니컬 잠재력을 평가하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 정육각형 구멍 격자를 가진 광학 격자 막대가 2차원 광학 격자에서 기존의 1차원 고대비 격자와 비교해도 유사하거나 이를 초월하는 반사율과 편율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 기계적으로 탄성 있는 PhC 막대를 거울로 사용할 경우 파비-페로 공진기에서 달성 가능한 최대 편율은 얼마인가?
• RQ3 낮은 광학적 입력 전력 조건에서 시스템이 어떻게 옵티모메커니컬 이중성질을 나타내며, 복사압이 히스테리시스 유도에 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 공기 저항 조건에서도 동적 반작용이 1 MHz를 초과하는 기계적 진동을 얼마나 강하게 유도하는가? 이는 정적 이중성질 관측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 이 시스템의 단일 광자 협동성은 얼마이며, 기존의 옵티모메커니컬 플랫폼과 비교해 볼 때 어떠한가?

주요 결과

• 광학 격자 막대는 기록적인 반사율 R = 0.999835(6)를 달성하였으며, 이는 F = 35,000(500)의 공진기 편율에 해당한다.
• 공진기 편율은 파장에 따라 로렌츠 함수 형태로 변화하며, 이는 PhC의 필터링 및 손실 특성에 의해 결정되는 전반적인 전송 스펙트럼 형태와 일치한다.
• 기본 기계 모드의 진동수는 426 kHz로, 광학 폭보다 높아 시스템이 해결된 사이드밴드 영역에 명확히 속해 있음을 나타낸다.
• 입력 전력 500 μW 이하에서도 옵티모메커니컬 이중성질이 명확히 관측되었으며, 이는 공진기 전송에서 히스테리시스로 나타났다.
• 공기 저항에도 불구하고, 동적 반작용으로 인해 4 mW의 입력 전력에서 1 MHz를 초과하는 광학적으로 스트레인된 진동수를 갖는 강력한 기계적 진동이 발생하였다.
• 단일 광자 협동성은 C₀ = 6.6 × 10⁻³로 측정되었으며, 이는 일반적으로 유사한 시스템에서 관찰되는 값(예: 10⁻⁷ ~ 10⁻⁴)보다 현저히 높아 강력한 빛-물질 결합을 나타낸다.