[논문 리뷰] Mechanical Spectroscopy of Parametric Amplification in a High-Q Membrane Microresonator

Shuhui Wu, Jiteng Sheng외 3명|Figshare|2017. 07. 31.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 74인용 수 11

한 줄 요약

이 연구는 광전자기 기계 시스템에서 압전 제어를 통해 비례 증폭을 실현하여, 실온에서 기계적 Q 인자가 두 개 이상의 주기만큼 향상되며 약 ~3×10⁸에 도달하고, 열기계적 소음 압축을 -3 dB 한계 근처에서 실현한다. 이 시스템은 고내재적 품질을 유지하면서 전기적 구동을 통해 기계적 성질을 동적으로 조절한다.

ABSTRACT

We develop a stoichiometric SiN membrane-based optoelectromechanical system, in which the properties of the mechanical resonator can be dynamically controlled by the piezoelectric actuation. The mode splitting is observed in the mechanical response spectra of a phase-sensitive degenerate parametric amplifier. In addition, the quality factor Q of the membrane oscillator in this process is signicantly enhanced by more than two orders of magnitude due to the coherent amplication, reaching a Q factor of ~ 3*10^8 and a f*Q product of ~ 8*10^14 at room temperature. The thermomechanical noise squeezing close to -3 dB limitation is also achieved. This system integrates the electrical, optical and mechanical degrees of freedom without compromising the exceptional material properties of SiN membranes, and can be a useful platform for studying cavity optoelectromechanics.

연구 동기 및 목표

• SiN 막 성능을 떨어뜨리지 않고 전기적, 광학적, 기계적 자유도를 통합한 온칩 광전자기 기계 플랫폼을 개발하기 위해.
• 정량적 SiN 막에서 압전 구동을 통해 기계 진동자 성질을 동적으로 제어하기 위해.
• 고Q 막 진동자에서 공명적 비례 증폭을 통해 기계적 Q 인자 향상을 실현하기 위해.
• 열기계적 소음 압축을 실온 기계 시스템에서 비균일 비례 증폭을 사용하여 실현하기 위해.
• 광공진자 전자기 기계학 및 비선형 양자 역학을 연구하기 위한 확장 가능하고 제조에 유리한 플랫폼을 제공하기 위해.

제안 방법

• 200 μm 두께의 Si 프레임 위에 50 nm 두께의 정량적 SiN 막을 구속하며, 인장 응력과 기하 구조를 조절하여 공진 주파수를 조절한다.
• 압전 구동은 막 기판에 직접 부착된 링 구동기로 구현되어 막 응력과 스프링 상수를 동적으로 조절할 수 있다.
• 비균일 비례 증폭은 위상 민감한 펌프 필드를 사용하여 공진 주파수에서 기계 운동을 공명적으로 증폭한다.
• 기계적 반응 스펙트럼은 이중 단계의 락인 증폭기로 진동자의 운동의 사례 성분을 측정한다.
• Q 인자는 일시적인 자극 후 라운드다운 측정에서 추출되며, 지수적 피팅을 통해 감쇠 시간을 산정한다.
• 소음 압축은 열적 조건과 비례 증폭 조건 하에서의 진동자의 위상 공간에서의 확률 밀도 함수 측정을 통해 정량화된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 압전 구동이 고Q SiN 막 진동자의 기계적 성질을 내재적 품질을 훼손하지 않고 동적으로 제어할 수 있는가?
• RQ2 실온에서 SiN 막 시스템에서 비례 증폭이 기계적 Q 인자를 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 비균일 비례 증폭을 사용하여 SiN 막 광전자기 기계 시스템에서 열기계적 소음 압축을 달성할 수 있는가?
• RQ4 비선형성은 이 시스템에서 비례 증폭기의 성능과 작동 영역에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 비례 증폭 하에서 SiN 막 시스템에서 도달 가능한 최대 f×Q 곱은 얼마이며, 이는 실온에서 기계 진동자의 기본 상태 냉각 요구 조건을 충족하는가?

주요 결과

• 공명적 비례 증폭 덕분에 기계적 Q 인자가 두 개 이상의 주기만큼 향상되어 실온에서 약 ~3×10⁸에 도달한다.
• f×Q 곱은 약 ~8×10¹⁴에 도달하여 실온에서 기계 진동자의 기본 상태 냉각을 위한 임계값을 초과한다.
• 기계적 반응 스펙트럼에서 모드 분리가 관측되어 위상 민감한 비균일 비례 증폭기의 작동을 확인한다.
• -2.1 dB의 열기계적 소음 압축이 달성되어 양자 한계인 -3 dB에 가까워진다.
• 이 시스템은 비례 불안정성 임계점 약간 위의 약한 비선형 영역에서 안정적인 작동을 보이며 비선형 역학에 접근할 수 있다.
• 이 연구에서 측정된 최고의 Q 인자는 지금까지 보고된 바 중 SiN 막에서 직접 측정된 최고 수준이며, 복잡한 나노공정이 필요하지 않다.