[논문 리뷰] Phonon routing in integrated optomechanical cavity-waveguide systems

Kejie Fang, Matthew H. Matheny외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 08. 20.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 48인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 분산 설계된 진동수 파동구를 통해 결합된 두 개의 옴모메커니컬 공진기로 구성된 통합 광기계 회로에서, 광학적 제어를 통해 조절 가능한 진동수 루팅을 구현한다. 광학적 풍압 위상과 강도를 제어함으로써 마이크로파-오버-옵티컬 신호 지연과 비대칭 전송을 달성하며, 422 MHz 결합 강도에서 완벽한 격리(역방향 전송가 불가능)를 달성할 수 있다. 이는 칩기반 진동수 기반 정보 처리와 토폴로지적 진동수역학을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The mechanical properties of light have found widespread use in the manipulation of gas-phase atoms and ions, helping create new states of matter and realize complex quantum interactions. The field of cavity-optomechanics strives to scale this interaction to much larger, even human-sized mechanical objects. Going beyond the canonical Fabry-Perot cavity with a movable mirror, here we explore a new paradigm in which multiple cavity-optomechanical elements are wired together to form optomechanical circuits. Using a pair of optomechanical cavities coupled together via a phonon waveguide we demonstrate a tunable delay and filter for microwave-over-optical signal processing. In addition, we realize a tight-binding form of mechanical coupling between distant optomechanical cavities, leading to direct phonon exchange without dissipation in the waveguide. These measurements indicate the feasibility of phonon-routing based information processing in optomechanical crystal circuitry, and further, to the possibility of realizing topological phases of photons and phonons in optomechanical cavity lattices.

연구 동기 및 목표

• 통합 공진기-파동구 시스템을 이용해 칩스케일 광기계 회로를 개발하여 진동수를 루팅하고 처리한다.
• 진동수 파동구 내에서 조절 가능한 진동수 전파를 통해 마이크로파-오버-옵티컬 신호 지연 및 필터링을 실현한다.
• 진동수 파동구를 통해 먼 광기계 공진기 간에 강하고 소산이 없는 기계적 결합을 실현한다.
• 광기계 격자에서 토폴로지적 진동수 위상과 진동수 기반 양자 정보 처리의 가능성 탐색.
• 구동 필드의 위상과 풍압 강도 제어를 통해 진동수 전송에서 광학적 비대칭성을 달성한다.

제안 방법

• 분산 설계된 진동수 파동구를 통해 결합된 두 개의 광기계 결정 공진기 시스템을 활용하여 조절 가능한 진동수 전송을 실현한다.
• 각 공진기의 별도 광학 풍압을 사용하여 광기계 결합률을 독립적으로 제어하고, 조절 가능한 신호 루팅을 가능하게 한다.
• 광학 및 기계 모드의 결합된 운동 방정식을 사용하여 시스템을 모델링하며, 복사압 결합과 파동구를 통한 간접 결합을 포함한다.
• 좌우 방향 광신호에 대한 전송 계수를 유도하여, 비대칭성이 구동 필드의 위상과 진폭 제어에 의해 발생함을 보여준다.
• 완벽한 비대칭성 조건을 규명: 위상 차이 ±π/2이며, 결합률과 손실률이 일치할 때, 일방향 진동수 전송이 가능하다.
• 파랑-편이 및 빨강-편이 풍압 조건 하에서 전송 및 격리 비율을 수치적으로 시뮬레이션하여 고격리도 및 조절 가능한 지연을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분산 설계된 진동수 파동구를 사용하여 통합 광기계 회로에서 진동수를 루팅하고 지연시킬 수 있는가?
• RQ2 광학 제어를 통해 칩스케일 광기계 시스템에서 비대칭 진동수 전송을 달성할 수 있는가?
• RQ3 진동수 기반 마이크로파-오버-옵티컬 신호 처리에서 완벽한 격리도를 달성하기 위한 조건은 무엇인가?
• RQ4 진동수 파동구를 통해 먼 공진기 간에 강하고 소산이 없는 기계적 결합을 실현할 수 있는가?
• RQ5 이 플랫폼을 사용하여 광기계 공진기 격자에서 토폴로지적 진동수 위상을 실현할 잠재력은 무엇인가?

주요 결과

• 풍압 위상 차이가 ±π/2이고 결합률이 효과적 손실률과 일치할 경우 완벽한 비대칭 전송이 달성되며, 이는 일방향 진동수 루팅이 가능하다.
• 일반적인 장치에서 완벽한 비대칭성을 달성할 수 있는 최대 결합률은 422 MHz이며, 이는 실험적으로 실현 가능한 범위에 속한다.
• 시스템은 조절 가능한 마이크로파-오버-옵티컬 지연선을 구현하며, 신호 루팅은 광학 풍압 위상과 강도에 의해 제어된다.
• 수치 시뮬레이션 결과 최적 조건에서 통과 방향에 대해 고격리 비율(약 100%)을 확인하였으며, 블루-편이 조건에서는 전송 효율이 90%를 초과한다.
• 이론적 및 실험적 결과는 진동수 파동구의 군속도를 발성 모드 밴드 전체에 걸쳐 설계할 수 있음을 보여주며, 느린 진동수 전파가 가능하다.
• 두 공진기의 하이브리드 기계 모드는 공간적으로 확장되어 있지만, 국소화된 광학 모드와 강한 광기계 결합을 유지하여 광학 및 마이크로파 신호 간의 효율적 변환을 가능하게 한다.