[논문 리뷰] Long-range Synchronization of Nanomechanical Oscillators with Light

Shreyas Y. Shah, Mian Zhang외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 27.

Mechanical and Optical Resonators인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 빛의 유한한 속도로 인해 발생하는 139-ns 지연을 유발하는 광섬유 결합을 통해 30미터 떨어진 두 나노기계 진동자 간의 장거리 동기화를 입증한다. 상당한 결합 지연에도 불구하고, 방향성 결합 강도를 독립적으로 제어함으로써 다수의 안정된 동기화 상태와 조절 가능한 주파수를 달성하여 재구성 가능한 RF 네트워크 및 뉴로모픽 컴퓨팅 플랫폼을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We experimentally demonstrate mutual synchronization of two free-running nanomechanical oscillators separated by an effective distance of 30 meters and coupled through light. Due to the finite speed of light, the large separation introduces a significant coupling delay of 139 nanoseconds, approximately four and a half times the mechanical oscillation time period. We reveal multiple stable states of synchronized oscillations, enabled by delayed coupling, with distinct synchronization frequency in the coupled system. These states are accessed by tuning independently the directional coupling strengths. Our results demonstrate rich dynamics and could enable applications in reconfigurable radio-frequency networks and novel computing concepts.

연구 동기 및 목표

• 일반적으로 마이크로미터 수준의 결합 범위를 훨씬 초월하는 30미터 거리에서 나노기계 진동자 간 상호 동기화를 달성하기 위해.
• 저손실 광섬유를 사용해 조절된 빛 신호를 전송함으로써 나노기계 시스템에서 장거리 결합의 과제를 해결하기 위해.
• 시간 지연된 결합이 결합된 비선형 진동자 시스템의 동기화 역학에 미치는 영향을 탐구하기 위해.
• 방향성 결합 강도를 독립적으로 제어하여 다수의 안정된 동기화 주파수를 접근 가능하게 하기 위해.
• 제어 가능한 동기화 상태를 통해 재구성 가능한 고주파수 네트워크 및 뉴로모픽 컴퓨팅 응용 분야를 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• Si3N4/SiO2 막에 전자선 리소그래피 및 반응성 이온 에칭을 사용하여 이중 마이크로디스크 구조를 기반으로 한 두 개의 옹광기계 진동자(Optomechanical Oscillators, OMOs)를 제작한다.
• 지속광 레이저를 통해 각 OMO를 자가유지 진동 상태로 유도함으로써 전송된 광학적 강도에서 고주파수 변조를 생성한다.
• 광섬유를 사용하여 두 OMO 간에 고주파수 변조된 빛을 전송함으로써 약 4.5배의 기계적 진동 주기 정도에 해당하는 139-ns의 왕복 지연을 유도한다.
• 변조 가능한 광학 손실 장치를 통해 OMO1에서 OMO2로의 신호 전파 강도와 그 반대 방향의 강도인 방향성 결합 강도(κ₁₂ 및 κ₂₁)를 독립적으로 조절한다.
• 전송된 빛의 고주파수 전력 스펙트럼을 측정함으로써 동기화를 관측하고, 결합 비율에 따라 다른 고정 주파수를 나타내는 고유한 잠금 주파수를 확인한다.
• 시간 지연가 있는 결합된 비선형 진동자 방정식을 사용하여 시스템을 모델링하고, 동기화 주파수 Ω_sn을 천연 주파수 차이(Ω₂ − Ω₁)로 정규화한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광결합을 통해 수십 미터 거리의 나노기계 진동자 간 동기화가 가능할 수 있는가?
• RQ2 139 ns의 상당한 시간 지연이 결합된 나노기계 시스템의 동기화 역학에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 방향성 결합 강도를 조절함으로써 다수의 안정된 동기화 상태와 고유한 주파수를 접근할 수 있는가?
• RQ4 비대칭 결합(κ₁₂ ≠ κ₂₁)이 대칭 시스템에서 도달할 수 없는 새로운 동기화 주파수를 가능하게 하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이러한 시스템이 통신 및 계산 분야에서 응용 가능한 재구성 가능한 다중 상태 동기화를 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 28.5미터 광섬유 링크를 통해 139-ns의 결합 지연이 발생하는 상황에서 두 나노기계 진동자 간의 상호 동기화가 실험적으로 입증되었다.
• 방향성 결합 강도 비율(κ₁₂/κ₂₁)을 조절함으로써 고유한 진동 주파수를 가진 다수의 안정된 동기화 상태가 관측되었다.
• κ₁₂/κ₂₁ 비율이 6.3 dB일 경우, 32.93 MHz 및 32.94 MHz의 두 동기화 상태가 관측되었으며, 이는 각각 Ω_sn = 0.65 및 0.85에 해당한다.
• κ₁₂/κ₂₁ 비율이 13.6 dB일 경우, 이전 비율에서는 도달할 수 없었던 새로운 동기화 주파수 Ω_sn = 0.4에 접근하였다.
• 동기화 주파수는 천연 주파수 범위 내에서 이산적인 값으로 분포하며, κ₂₁ 및 κ₁₂/κ₂₁의 매개변수 공간에서 네 개의 고유한 군집을 형성한다.
• κ₁₂ 및 κ₂₁를 독립적으로 제어함으로써 비어 있는 동기화 상태, 즉 κ₁₂/κ₂₁가 작은 경우 주도-종속 잠금 상태와 결합이 균형을 이루는 경우 대칭 잠금 상태에 접근할 수 있다.