[논문 리뷰] Waveguide cavity optomagnonics for broadband multimode microwave-to-optics conversion

Na Zhu, Xufeng Zhang외 6명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 13.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 30인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 넓은 대역, 다중 모드의 마이크로파-광학 변환을 가능하게 하는 통합 파이프형 공진기 옵티마그네틱 플랫폼을 제안한다. 작고 밀도 높은 구조에서 다수의 면역 모드와 광학 모드 간의 강한 모드 겹침을 통해, 이 시스템은 이전의 YIG 구형 기반 장치보다 세 배 정도 높은 자기광학 협동도를 달성하며, 8.45 GHz에서 최대 16.1 MHz의 대역폭을 가진 조절 가능한 변환을 실현한다.

ABSTRACT

Cavity optomagnonics has emerged as a promising platform for studying coherent photon-spin interactions as well as tunable microwave-to-optical conversion. However, current implementation of cavity optomagnonics in ferrimagnetic crystals remains orders of magnitude larger in volume than state-of-the-art cavity optomechanical devices, resulting in very limited magneto-optical interaction strength. Here, we demonstrate a cavity optomagnonic device based on integrated waveguides and its application for microwave-to-optical conversion. By designing a ferrimagnetic rib waveguide to support multiple magnon modes with maximal mode overlap to the optical field, we realize a high magneto-optical cooperativity which is three orders of magnitude higher compared to previous records obtained on polished YIG spheres. Furthermore, we achieve tunable conversion of microwave photons at around 8.45 GHz to 1550 nm light with a broad conversion bandwidth as large as 16.1 MHz. The unique features of the system point to novel applications at the crossroad between quantum optics and magnonics.

연구 동기 및 목표

• 큰 장치 부피로 인해 기존의 투과성 YIG 기반 옵티마그네틱 시스템에서의 제한된 자기광학 상호작용 강도를 해결하기 위해.
• 기존의 공진기 기반 온도역학 및 전기광학 마이크로파-광학 변환 플랫폼에서의 좁은 변환 대역폭과 조절 불가능성 문제를 해결하기 위해.
• 통합 파이프형 기반 옵티마그네틱 장치를 통해 효율적이고 넓은 대역, 조절 가능한 마이크로파-광학 광자 변환을 실현하기 위해.
• 다중 모드 면역 공진과 삼중 공진 강화를 활용하여 높은 협동도와 넓은 작동 대역폭을 달성하기 위해.

제안 방법

• 다중 후행체 부피 자기공진 모드(FVMSW) 면역 모드와 파르티-페로 광학 공진을 지원하는 단일 결정 YIG 립 파이프형 구조를 설계 및 제작한다.
• 광학 TE/TM 모드와 면역 모드 간의 공간적 겹침을 최대화하도록 파이프형 기하구조를 최적화하여 자기광학 결합 강도를 향상시킨다.
• 파이프형 구조 아래에 반파장 마이크로스트립 공진기(8.45 GHz 근처에서 면역 모드를 자극)를 통합하여 공진 상태의 마이크로파-면역 모드 결합을 실현한다.
• 에너지 및 위상 보존을 위해 광학 펌프 모드, 신호 모드, 면역 모드를 정렬함으로써 삼중 공진 조건을 구현하여 변환 효율을 향상시킨다.
• λ/2 파라미터 플레이트와 투과성 필터를 활용해 펌프와 변환된 신호의 수직 편광 상태를 확인함으로써 공명 변환의 일관성을 검증한다.
• 67 MHz 해상도를 가진 조절 가능한 파르티-페로 스펙트로미터를 사용하여 변환된 광학 사이드밴드를 측정하고 편광 수직성 확인을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 패tern된 YIG 파이프형에서의 다중 모드 면역 공진이 기존의 투과성 YIG 구와 비교해 자기광학 결합 강도를 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 파이프형 기반 옵티마그네틱 플랫폼이 10 MHz를 초과하는 대역폭을 가진 넓은 대역 마이크로파-광학 변환을 실현할 수 있는가?
• RQ3 광학 모드와 면역 모드 간의 모드 겹침이 통합 옵티마그네틱 장치에서 협동도와 변환 효율에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 광학 및 면역 모드의 조절 가능성은 한 개의 장치에서 다양한 마이크로파 주파수 범위에 걸쳐 주파수 변환을 가능하게 하는가?
• RQ5 편광 선택적 검출을 통해 마이크로파-광학 변환 과정의 일관성 특성을 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 파이프형 공진기 옵티마그네틱 시스템은 이전의 YIG 구 기반 플랫폼보다 진공 상태에서 자기광학 협동도가 세 배 높다.
• 8.45 GHz에서 실험적으로 16.1 MHz의 넓은 대역 마이크로파-광학 변환 대역폭이 입증되었으며, 이는 다수의 면역 모드를 통한 집합적 변환에 기인한다.
• 변환된 광학 신호의 편광은 펌프 빛과 수직으로 확인되었으며, λ/2 파라미터 플레이트를 돌릴 때 전달된 전력에서 π/2 위상 이동을 관측함으로써 검증되었다.
• 광학 및 면역 모드에 대해 높은 조절 가능성을 보이며, 한 개의 통합 장치에서 다양한 마이크로파 주파수에 적응할 수 있다.
• 측정된 광학 사이드밴드의 대역폭은 신호의 본질적 대역폭이 아니라 파르티-페로 스펙트로미터의 67 MHz 해상도에 의해 제한된다.
• 출력에서 편광 필터링을 통해 TM 편광 빛에 대해 약 32 dB의 감쇄가 달성되어 변환된 신호의 효과적 분리가 확인되었다.