[논문 리뷰] Floquet Phonon Lasing in Multimode Optomechanical Systems

Laura Mercadé, Karl Pelka외 4명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 26.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 55인용 수 69

한 줄 요약

이 논문은 시간적으로 변조된 레이저 드라이브를 적용하여 실리콘 광학 나노결정에서 다중모드 비온 레이저 작동을 단일 주파수 기계 모드의 위상锁定을 통해 구현하였다. 이로 인해 프리우에프 동역학이 유도되어 2 GHz 주파수의 기계 모드 두 개가 동기화된다. 주요 결과는 단일모드 레이저 작동에 비해 장기적인 주파수 안정성이 크게 향상되어, 고정밀 칩스케일 마이크로파 오실레이터 및 일관된 웨이브폼 합성에 기여한다.

ABSTRACT

Dynamical radiation pressure effects in cavity optomechanical systems give rise to self-sustained oscillations or `phonon lasing' behavior, producing stable oscillators up to GHz frequencies in nanoscale devices. Like in photonic lasers, phonon lasing normally occurs in a single mechanical mode. We show here that phase-locked, multimode phonon lasing can be established in a multimode optomechanical system through Floquet dynamics induced by a temporally modulated laser drive. We demonstrate this concept in a suitably engineered silicon photonic nanocavity coupled to multiple GHz-frequency mechanical modes. We find that the long-term frequency stability is significantly improved in the multimode lasing state as a result of the phase locking. These results provide a path towards highly stable ultra-compact oscillators, pulsed phonon lasing, coherent waveform synthesis, and emergent many-mode phenomena in oscillator arrays.

연구 동기 및 목표

• 다중기계 모드 옵티omechanical 시스템에서 단일모드 레이저 작동의 한계를 극복하고, 여러 기계 모드 간의 위상锁定 진동을 가능하게 한다.
• 기존의 옵티omechanical 레이저 작동에서 관찰되는 모드 경쟁과 불안정성 문제를 해결한다. 이 경우 오직 한 모드만 레이저 작동을 하며 나머지 모드는 냉각된다.
• 시간주기적 레이저 조절을 이용한 프리우에프 기반 접근법을 개발하여 서로 다른 주파수를 가진 기계 모드 간의 공명 결합을 이끌어낸다.
• 실험적으로 다중모드 비온 레이저 작동이 장기적인 주파수 안정성을 향상시킴을 입증한다. 이는 고정밀 오실레이터에 매우 중요하다.
• 통합된 옵티omechanical 오실레이터 어레이에서 일관된 웨이브폼 합성 및 잠재적인 다체계 현상 탐색을 시도한다.

제안 방법

• 두 기계 모드 주파수의 차이와 일치하는 주파수로 시간 조절 레이저 드라이브를 적용하여 프리우에프 동역학을 유도한다.
• 복사압을 통해 단일 광학 모드와 결합된 두 개의 별도된 GHz 주파수 기계 모드를 지닌 실리콘 광학 나노결정을 사용한다.
• 옵티omechanical 결합과 시간주기적 드라이브를 포함한 해밀토니안을 모델링하여 프리우에프 형태의 평균장 및 선형화된 변동 동역학을 유도한다.
• 광학장 α(t)에 푸리에 전개를 적용하여 프리우에프 공간에서 주기적인 동역학계를 유도하고, 다중모드 이득과 안정성 분석이 가능하게 한다.
• 입력-출력 관계를 포함한 양자 랭지비안 방정식을 사용하여 기계 및 광학장의 정적 파wr 스펙트럼 밀도(PSD)를 계산하며, 사이드밴드에서 루소이드형 피크를 확인한다.
• 위상 잡음 및 올런 분산 측정을 통해 다중모드 레이저 작동 상태에서의 장기적 안정성 향상을 정량화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 시간주기적 레이저 조절을 통해 다중모드 옵티omechanical 시스템에서 위상锁定 다중모드 비온 레이저 작동을 달성할 수 있는가?
• RQ2 레이저 강도 조절을 통한 프리우에프 엔지니어링은 서로 다른 기계적 특성을 지닌 모드 간에 어떻게 공명 결합을 가능하게 하는가?
• RQ3 다중모드 레이저 작동은 생성된 마이크로파 톤의 장기적 주파수 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 모드 경쟁 없이 단일모드 자진진동에서 다중모드 자진진동으로의 전이가 가능할 수 있으며, 이 전이의 서명은 무엇인가?
• RQ5 다중모드 레이저 작동은 단일모드 레이저 작동에 비해 저주파 위상 잡음의 억제 정도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 실리콘 광학 나노결정에서 두 개의 GHz 주파수 기계 모드를 지닌 시스템에서 실험적으로 위상锁定 다중모드 비온 레이저 작동이 구현되었다.
• 조절 주파수(Ω₂ − Ω₁ ≈ 0.89–1.06 THz)가 두 기계 모드 주파수의 차이와 일치할 경우, 두 모드가 공명적으로 동기화된 상태에서 진동한다.
• 올런 분산로 측정된 장기적 주파수 안정성은 다중모드 레이저 작동 상태에서 단일모드 자진진동에 비해 크게 향상되었다.
• 위상 잡음 측정 결과, 저주파 오프셋(<10 kHz)에서 1/f³ 플리커 잡음이 감소한 것으로 나타나 안정성이 향상됨을 시사한다.
• 조절 스캔 중 기계 모드 P1의 선우폭이 변화하지 않아, 다중모드 상태가 일시적인 SSO 상태가 아니라 안정적이고 동기화된 MMO 상태임을 확인한다.
• 전력 스펙트럼 밀도 및 기계 모드와 사이드밴드의 진폭 변화에서 단일모드 자진진동(SSO)에서 다중모드 진동(MMO)으로의 전이가 명확한 서명을 보였다.