[논문 리뷰] Efficient tunable switch from slow light to fast light in quantum opto-electromechanical system

M. Javed Akram, Khalid Naseer외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 05.

Quantum Information and Cryptography참고 문헌 1인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 두 개의 전기적으로 결합된 기계 진동자 간의 제어 가능한 쿨롱 결합을 통해 프로브 전송에서 느린 빛에서 빠른 빛으로의 토글 가능한 스위치를 가능하게 하는 하이브리드 양자 옵토전자기 기계 시스템(QOEMS)을 제안한다. 쿨롱 결합 강도 $g_c$ 를 제어함으로써, $g_c \neq 0$ 일 때 느린 빛, $g_c = 0$ 일 때 빠른 빛으로의 전이가 가능하며, 두 효과 모두 전송된 프로브 필드에서 관측되며, 캐비티 감쇠에 대해 뛰어난 느린 빛 성능을 보여준다.

ABSTRACT

The control of slow and fast light propagation, in the probe transmission in a single experiment, is a challenging task. This type of control can only be achieved through highly nonlinear interactions and additional interfering pathway(s), which is therefore seldom reported. Here, we devise a scheme in which slow light, and a tunable switch from slow light to fast light can be achieved in the probe transmission based on a hybrid setup, which is composed of an optical cavity with two charged nano mechanical resonators (MRs). The two MRs are electrostatically coupled via tunable Coulomb coupling strength ($g_{c}$) making a quantum opto-electromechanical system (QOEMS). The parameter $g_{c}$ that couples the two MRs can be switched on and off by controlling the bias voltages on the MRs, and acts as a tunable switch that allows the propagation of transmitted probe field as slow light ($g_{c} eq 0$) or fast light ($g_{c} = 0$). In our scheme, the magnitude of delay and pulse advancement can be controlled by tuning the Coulomb interaction and power of the pump field. Furthermore, we show that slow light regime in our model is astonishingly robust to the cavity decay rate. In comparison with previous schemes, our scheme has clear advantages that empowers the state-of-the-art photonic industry as well as reflects the strength of emerging hybrid technologies.

연구 동기 및 목표

• 단일 실험적 설정에서 느린 빛과 빠른 빛 전파 간의 제어 가능한 스위칭을 달성하기 위해.
• 이전 방법들이 느린 빛과 빠른 빛을 위해 별도의 전송 및 반사 채널이 필요로 했던 한계를 극복하기 위해.
• 하이브리드 옵토기계-전기기계 결합을 활용하여 군속도 제어의 향상된 탄력성과 내구성 확보하기 위해.
• 실제 캐비티 감쇠율 조건 하에서도 느린 빛 효과가 안정적으로 유지됨을 입증하여 실용적 적용성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 시스템은 복사압력과 전기적 쿨롱 상호작용을 통해 두 전하를 띤 나노기계 진동자(MR)에 결합된 고Q 피아르-페로 캐비티를 사용한다.
• 두 MR 간의 쿨롱 결합 강도 $g_c$ 는 적용된 편압 전압을 통해 조절 가능하여 기계 모드의 하이브리드화를 동적으로 제어할 수 있다.
• 펌프 전력과 $g_c$ 를 변화시키며 프로브 필드의 전송을 분석하고, 군지연과 위상 응답을 사용하여 느린 빛 및 빠른 빛 영역를 식별한다.
• 이론적 모델링은 옵토기계 결합 강도 $g_o$, 쿨롱 결합 강도 $g_c$, 캐비티 감쇠율 $\kappa$ 를 포함하는 해밀토니안을 사용하며, 선형화된 영역에서 해를 구한다.
• 전송 스펙트럼과 군지연을 수치적으로 계산하여 $g_c$ 를 끄면서 느린 빛에서 빠른 빛으로의 전이를 매핑한다.
• 캐비티 감쇠에 대한 느린 빛의 내구성을 평가하기 위해 다양한 $\kappa$ 값에서 군지연을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일 실험 설정에서 전송된 프로브 필드에서 동시에 느린 빛과 빠른 빛을 구현할 수 있는가?
• RQ2 두 기계 진동자 간의 쿨롱 결합 강도 $g_c$ 는 느린 빛에서 빠른 빛으로의 전이를 어떻게 규제하는가?
• RQ3 느린 빛 영역는 캐비티 감쇠율 $\kappa$ 에 대해 어느 정도 내구성이 있는가?
• RQ4 동일한 구성에서 펌프 전력과 $g_c$ 를 통해 펄스 지연과 진전을 독립적으로 제어할 수 있는가?
• RQ5 추가적인 기계 진동자가 군속도 조절을 위한 탄력적인 전송 창을 생성하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 쿨롱 결합 강도 $g_c$ 를 끄는 것으로, 편압 전압 제어를 통해 실험적으로 실현 가능한 방식으로 프로브 전송에서 느린 빛에서 빠른 빛으로의 토글 가능한 스위치를 달성하였다.
• 전송된 프로브 필드에서 둘 다 관측되었으며, 음의 군지연을 가진 느린 빛과 양의 군지연을 가진 빠른 빛이 모두 관측되어 단일 설정 내에서 완전한 제어가 가능하다.
• 느린 빛 영역는 캐비티 감쇠율 $\kappa$ 에 대해 놀라운 내구성을 보이며, 높은 $\kappa$ 값에서도 여전히 상당한 군지연을 유지한다.
• 펌프 전력과 $g_c$ 를 조절하여 펄스 지연 및 진전의 크기를 조절할 수 있어 광신호 전파의 동적 제어가 가능하다.
• 두 기계 진동자의 하이브리드화로 인해 두 개의 별개의 전송 창이 발생하여 간섭 효과를 통한 스위칭 메커니즘이 가능해졌다.
• 시스템은 캐비티 감쇠율이 낮을수록 빠른 빛 행동(음의 군지연 특성)이 더 두드러지며, 고품질 캐비티에서 초광속 효과가 향상됨을 보여주었다.