[논문 리뷰] Cavity optomechanics with surface acoustic waves

Ayato Okada, Fumikazu Oguro외 5명|arXiv (Cornell University)|2017. 05. 12.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 36인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 압전성 LiNbO₃ 기판에서 옵토탄성 효과를 통해 표면 탄성파(SAW)를 광학 Fabry-Pérot 공진기와 결합하는 캐비티 옵토기계 시스템을 제시한다. 옵토탄성의 텐서 성격을 활용함으로써 시스템은 편광에 따라 달라지는 광자-SAW 결합을 나타내며, $ g_0/2ackslashpi = 60 $ mHz의 옵토기계 결합률을 달성한다. 공진기 소형화 및 모드 겹침 향상으로 약 10 Hz 수준으로 향상 가능하다.

ABSTRACT

We report a development of an electro-optomechanical system based on a surface acoustic wave (SAW), where a piezoelectric material with a large optoelastic susceptibility is used for the coupling of both a radio wave and optical light to the SAW. In the optical domain, we exploit a tensorial nature of the optoelastic effect to show a polarization dependence of the photon-SAW interaction. We discuss the construction of two-dimensional SAW focusing circuits for the coupling enhancement and the optical cavity enhanced photon-phonon scattering. We estimate an optomechanical coupling rate $g_0$ of the system and discuss the future direction for the improvement of the coupling strength.

연구 동기 및 목표

• 고 옵토탄성 감도를 지닌 압전성 기판을 통해 고주파 SAW와 광학 공진기를 결합하는 전기-광학기계 시스템을 개발한다.
• SAW 기판에서의 옵토탄성 효과의 이방성 텐서 성격을 활용하여 편광에 따라 달라지는 옵토기계 결합을 실험적으로 구현한다.
• 이중 차원 SAW 집중 회로와 광학 공진기 강화를 통해 광자-음파 결합을 향상시킨다.
• 달성 가능한 옵토기계 결합률 $ g_0 $ 를 추정하고, 기계 모드의 양자 제어를 가능하게 하기 위한 향상 방안을 규명한다.

제안 방법

• 87 MHz에서 SAW를 구속하고 자극하기 위해 동심 Bragg 반사판과 간섭형 전도체 전극(IDT)을 사용하여 Y-절단 LiNbO₃ 기판 상에 평판형 SAW 공진기를 제작한다.
• 초점 레이저 빔을 SAW 공진기 위로 스캔하여 공진기 길이의 옵토탄성 조절을 측정하고, 이질성 검출 및 锁相 증폭을 사용하여 광신호 조절을 추출한다.
• 측정된 광학적 위상 이동과 SAW의 제로 포인트 운동을 바탕으로 옵토기계 결합률 $ g_0 $ 를 유도하며, 관계식 $ g_0 = \partial \omega_c / \partial x \cdot \delta x $ 를 사용한다. 여기서 $ \delta x $ 는 제로 포인트 운동으로 인한 효과적 공진기 길이 변동이다.
• 이론적 모델링을 통해 SAW 파장 $ \lambda_{\rm SAW} = 40~\mu\text{m} $ 와 모드 면적을 사용하여 제로 포인트 변형 진폭 $ U_{\rm zpf} \approx 1 \times 10^{-2} $ fm를 추정하며, 실험적 추정과 일치함을 확인한다.
• 실제 조건 하에서 시스템의 코operativity를 평가하며, 공진기 길이 감소 및 Q 인자 향상으로 $ C \approx 1 $ 수준의 잠재력이 있음을 밝힌다.
• 광학 및 음향장의 위상 일치와 평행 파수 벡터 겹침을 달성하기 위해 SAW 공진기 아래에 광학 웨이브가이드를 통합함으로써 결합을 향상시키는 설계 전략을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압전성 기판에서의 표면 탄성파가 옵토탄성 효과를 통해 광학 공진기와 강한, 편광에 따라 달라지는 옵토기계 결합을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 평판형 SAW 공진기와 Fabry-Pérot 공진기 간에 결합된 시스템에서 달성 가능한 옵토기계 결합률 $ g_0 $ 는 얼마이며, 공진기 길이와 모드 겹침에 따라 어떻게 달라지는가?
• RQ3 SAW 기판의 이방성과 옵토탄성 효과의 텐서 성격은 광자-SAW 상호작용의 편광 의존성에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 SAW 기반 옵토기계 시스템에서 고 Q 인자와 강한 결합을 달성하는 데 주요한 제약 요소는 무엇이며, 이를 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ5 시스템은 협업도 $ C \approx 1 $ 수준으로 확장 가능할 수 있으며, 이는 SAW 모드의 레이저 냉각과 같은 양자 제어를 가능하게 하는가?

주요 결과

• 옵토기계 결합률 $ g_0/2\pi $ 는 실험적으로 60 mHz로 측정되었으며, 옵토탄성 효과를 통한 명확한 광자-SAW 상호작용을 입증한다.
• SAW의 제로 포인트 변형 진폭은 $ U_{\rm zpf} = 0.5 \times 10^{-2} $ fm로 추정되었으며, 이는 이론적 추정치 $ 1 \times 10^{-2} $ fm와 일치하여 측정 모델의 타당성을 검증한다.
• Y-절단 LiNbO₃ 기판의 이방성 옵토탄성 텐서로 인해 시스템은 편광에 따라 달라지는 결합을 나타내며, 편광 조절을 통해 SAW 모드를 광학적으로 제어할 수 있다.
• 이론적 분석에 따르면 공진기 길이를 300 μm로 단축하고 섬유 기반 공진기를 사용할 경우 $ g_0 $ 는 약 10 Hz로 증가할 수 있으며, 이는 최신의 마이크로파-광학 변환기 수준과 유사하다.
• 기계적 Q 인자가 $ 10^5 $, 광입력 전력 10 mW, 공진기 길이 단축 조건에서 시스템의 협업도 $ C $ 는 약 1에 도달할 수 있으며, 이는 SAW 모드의 양자 제어를 가능하게 한다.
• 속도 분산 효과를 최소화하기 위해 등방성 기판 위에 등방성 압전 재료인 AlN 또는 ZnO를 사용하는 것이 고 Q 인자 향상의 길로 제안된다.