[논문 리뷰] High-Efficiency Low-Noise Optomechanical Crystal Photon-Phonon Transducers

Sameer Sonar, Utku Hatipoğlu외 4명|arXiv (Cornell University)|2024. 06. 22.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 밀리켈빈 온도에서 음향 가열을 6배 감소시키는 측면 결합형 이차원 광기계 결정(2D-OMC) 공진기를 제안하며, 이로 인해 93.1 ± 0.8%의 효율로 영점에서의 진동자-광자 변환을 실현하고 추가로 0.25 ± 0.01개의 양자 노이즈만을 유발한다. 이 설계는 기계적 및 광학적 파손을 분리하면서도 잔여 결합을 유지함으로써, 부속 흡수로 인한 열 노이즈를 크게 감소시킨다.

ABSTRACT

Optomechanical crystals (OMCs) enable coherent interactions between optical photons and microwave acoustic phonons, and represent a platform for implementing quantum transduction between microwave and optical signals. Optical absorption-induced thermal noise at cryogenic (millikelvin) temperatures is one of the primary limitations of performance for OMC-based quantum transducers. Here, we address this challenge with a two-dimensional silicon OMC resonator that is side-coupled to a mechanically detached optical waveguide, realizing a six-fold reduction in the heating rate of the acoustic resonator compared to prior state-of-the-art, while operating in a regime of high optomechanical-backaction and millikelvin base temperature. This reduced heating translates into a demonstrated phonon-to-photon conversion efficiency of 93.1 $\pm$ 0.8% at an added noise of 0.25 $\pm$ 0.01 quanta, representing a significant advance toward quantum-limited microwave-optical frequency conversion and optically-controlled quantum acoustic memories.

연구 동기 및 목표

• 밀리켈빈 온도에서 작동하는 광기계 결정(OMC)에서 광흡수로 인한 열 노이즈를 극복하기 위해.
• 광기계 결합 또는 광학 품질 요소를 손상시키지 않은 채 음향 공진기의 가열을 줄이기 위해.
• 추가 노이즈를 최소화하여 고정밀 양자 변환 및 광학 제어 양자 음향 메모리 구현을 위해.
• 기계적으로 분리된 측면 결합형 2D OMC 구조를 설계하여 공진기의 열 유입을 차단하면서도 잔여 광학 결합을 유지하기 위해.

제안 방법

• 광학 및 음향 모드를 봉쇄하기 위해 눈꽃 패턴 격자와 중심부에 물고기 뼈 형태의 파손을 포함한 실리콘 기반 이차원 실리콘 광기계 결정(OMC)을 실리콘 온 인슐레이터(SOI) 기반에서 설계.
• OMC 공진기에서 기계적으로 분리된 측면 결합 광학 파이프를 구현하면서도 반 눈꽃 단위 세포를 통해 잔여 광학 결합을 유지.
• 유한요소법(FEM) 시뮬레이션을 활용해 광학 및 음향 모드 프로파일을 최적화하여 각각 1550 nm 및 10.3 GHz에서 강한 봉쇄 성능 확보.
• 지속적 및 펄스 광학 자극 조건에서 효과적 진동자 열 bath 온도 및 가열 속도 측정을 위해 광기계 옆구리 온도 측정 기술 적용.
• 가열 속도의 비율 승수 스케일링 분석을 통해 진동자 열 bath 차원성 추출 및 주요 감쇠 메커니즘 규명.
• 다양한 광학 출력 및 기저 온도 조건에서 진동자-광자 변환을 통한 변환 효율 및 추가 노이즈 측정.

Figure 2: Characterization of optical absorption-induced hot bath. a, Schematic showing interactions of the acoustic resonator with various baths considered in our heating model. b, Schematic of measurement setup for time-resolved measurements of the hot bath using single-photon counting on the opti

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 파이프를 OMC 공진기에서 기계적으로 분리함으로써 부속 가열을 줄일 수 있을까? 이로 인해 광학 결합 성능이 떨어지지 않을까?
• RQ2 낮은 온도에서의 열 노이즈 감소가 밀리켈빈 온도에서의 진동자 점유수 및 광기계 변환 시 추가 노이즈에 어떤 영향을 미칠까?
• RQ3 기존의 1D 및 버트-커플드 OMC와 비교해 측면 결합형 2D OMC 기하학적 구조는 가열 속도와 변환 효율 측면에서 어떤가?
• RQ4 고출력 영역에서 2D OMC의 진동자 열 bath 차원성과 주요 감쇠 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 연속파 작동 조건에서 낮은 추가 노이즈와 높은 효율을 기반으로 근접 양자 제한 성능을 달성할 수 있을까?

주요 결과

• 측면 결합형 2D OMC 설계는 기존 최고 수준의 OMC 대비 음향 공진기의 가열 속도를 6배 감소시켰다.
• 펄스 자극 조건에서 진동자-광자 변환 효율은 93.1 ± 0.8%에 도달했으며, 추가 노이즈는 단지 0.25 ± 0.01개의 양자에 그쳤다.
• 연속파 작동 조건에서는 97%의 변환 효율을 기록했고, 열 점유수는 0.42로 1D-OMC 대비 약 10배 낮았다.
• 단광자 경고 속도는 465 Hz로 향상되었으며(1D-OMC 대비 20 Hz), 광자 동시성 비율은 21 Hz에 도달해 약 500배 향상되었다.
• 가열 속도의 비율 승수 스케일링 분석 결과, 진동자 열 bath의 차원성은 약 2로 확인되었으며, 이는 2차원 열 전도와 일치한다. 고출력 영역에서는 0.29의 승수를 보였다.
• 장치는 1.1 MHz의 높은 광기계 반작용 속도를 보이며, 밀리켈빈 온도에서 강한 결합 및 효율적인 양자 변환을 가능하게 했다.

Figure 3: Phonon-to-photon transduction under continuous-wave excitation. a, Schematic of measurement setup showing single-photon counting of up-converted photons at the optical resonance frequency with the OMC pumped continuously on the red-detuned sideband ( $\Delta=-\Omega_{\text{m}}$ ) of the op