[論文レビュー] Floquet Phonon Lasing in Multimode Optomechanical Systems

Laura Mercadé, Karl Pelka+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2021

Mechanical and Optical Resonators参考文献 55被引用数 69

ひとこと要約

本論文では、時間的に変調されたレーザー駆動を適用することで、シリコン光フォトニクスナノキャビティ内で位相ロックされたマルチモードフォノンレーザーを実証した。この駆動によりフロケ効果ダイナミクスが誘発され、2 GHz周波数の機械的モードが同期する。主な結果として、単一モードレーザーと比較して長期間の周波数安定性が顕著に向上し、高安定性なチップスケールマイクロ波発信源およびコherent波形合成が可能になった。

ABSTRACT

Dynamical radiation pressure effects in cavity optomechanical systems give rise to self-sustained oscillations or `phonon lasing' behavior, producing stable oscillators up to GHz frequencies in nanoscale devices. Like in photonic lasers, phonon lasing normally occurs in a single mechanical mode. We show here that phase-locked, multimode phonon lasing can be established in a multimode optomechanical system through Floquet dynamics induced by a temporally modulated laser drive. We demonstrate this concept in a suitably engineered silicon photonic nanocavity coupled to multiple GHz-frequency mechanical modes. We find that the long-term frequency stability is significantly improved in the multimode lasing state as a result of the phase locking. These results provide a path towards highly stable ultra-compact oscillators, pulsed phonon lasing, coherent waveform synthesis, and emergent many-mode phenomena in oscillator arrays.

研究の動機と目的

• マルチモードオプトメカニカル系において、複数の機械的モード間で位相ロックされた振動を可能にすることで、フォノンレーザーの単一モード制限を克服すること。
• 従来のオプトメカニカルレーザーでは1つのモードのみがレーザー発振し、他のモードは冷却されるが、そのようなモード競合と不安定性の課題を解決すること。
• 時間周期的レーザー変調を用いたフロケベースのアプローチを開発し、異なる周波数の機械的モード間のコherentlyな結合を誘導すること。
• 実験的にマルチモードフォノンレーザーが長期間の周波数安定性を向上させることを示し、高精度発信源にとって不可欠であることを確認すること。
• 統合型オプトメカニカル発振器アレイにおけるコherent波形合成および新たな多体現象の可能性を検討すること。

提案手法

• 2つの機械的モード周波数差に一致する周波数で時間変調されたレーザー駆動を実装し、フロケダイナミクスを誘発する。
• 放射圧により1つの光学モードと結合する2つの異なるGHz周波数の機械的モードを持つシリコン光フォトニクスナノキャビティを用いる。
• オプトメカニカル結合と時間周期的駆動を含むハミルトニアンをモデル化し、フロケ形式の平均場および線形化された揺らぎダイナミクスに導く。
• 光学場 α(t) のフーリエ展開を適用し、フロケ空間における周期的動的系を導出し、マルチモードの利得および安定性の解析を可能にする。
• 入出力関係を伴う量子ランジュバン方程式を用い、機械的および光学場の定常パワー スペクトル密度（PSD）を計算し、サイドバンドにローレンツピークが現れることを明らかにする。
• 位相ノイズおよびアラン分散測定を用いて、マルチモードレーザー状態における長期間安定性の向上を定量的に評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 時間周期的レーザー変調を用いたマルチモードオプトメカニカル系において、位相ロックされたマルチモードフォノンレーザーを実現できるか？
• RQ2 レーザー強度変調によるフロケ工学は、機械的に異なるモード間のコherentlyな結合をどのように可能にするか？
• RQ3 マルチモードレーザーは、生成されるマイクロ波トーンの長期間周波数安定性にどのような影響を与えるか？
• RQ4 モード競合が生じない状態で、単一モード自己発振（SSO）からマルチモード発振（MMO）に遷移できるか？その遷移の特徴は何か？
• RQ5 マルチモードレーザーは、単一モードレーザーと比較して、低周波数帯の位相ノイズをどの程度抑制できるか？

主な発見

• 2 GHz周波数の機械的モードを有するシリコン光フォトニクスナノキャビティにおいて、位相ロックされたマルチモードフォノンレーザーが実験的に実証された。
• 変調周波数が2つの機械的モード周波数差（Ω₂ − Ω₁ ≈ 0.89–1.06 THz）に一致する場合、両モードが同期状態でコherently振動する。
• アラン分散で定量化された長期間周波数安定性は、マルチモードレーザー状態において単一モード自己発振と比較して顕著に向上した。
• 位相ノイズ測定では、低周波数オフセット（<10 kHz）で1/f³のフレッカーノイズが低下しており、安定性の向上が示された。
• モードP1の線幅は変調スキャン中に変化せず、マルチモード状態が一時的なSSO状態ではなく、安定した同期したMMO状態であることを確認した。
• パワー スペクトル密度および機械的モードとサイドバンドの振幅変化において、単一モード自己発振（SSO）からマルチモード発振（MMO）への遷移の明確な特徴が観測された。