[论文解读] Moving boundary and photoelastic coupling in GaAs optomechanical resonators

Krishna C. Balram, Marcelo Davanço+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 22, 2014

Mechanical and Optical Resonators参考文献 27被引用 6

一句话总结

本文研究了GaAs微盘和纳米梁谐振器中的光机耦合，表明移动边界效应和光弹效应均对耦合速率 $g_0$ 有显著贡献。研究发现，由于光弹系数的各向异性，$g_0$ 在平面内器件取向上的依赖性达30%，沿[110]轴方向实现 $g_0/2\pi = 1.1$ MHz，凸显了GaAs纳米梁光机晶体作为量子与传感应用中高耦合强度平台的潜力。

ABSTRACT

Chip-based cavity optomechanical systems are being considered for applications in sensing, metrology, and quantum information science. Critical to their development is an understanding of how the optical and mechanical modes interact, quantified by the coupling rate $g_{0}$. Here, we develop GaAs optomechanical resonators and investigate the moving dielectric boundary and photoelastic contributions to $g_{0}$. First, we consider coupling between the fundamental radial breathing mechanical mode and a 1550 nm band optical whispering gallery mode in microdisks. For decreasing disk radius from $R=5$ $μ$m to $R=1$ $μ$m, simulations and measurements show that $g_{0}$ changes from being dominated by the moving boundary contribution to having an equal photoelastic contribution. Next, we design and demonstrate nanobeam optomechanical crystals in which a $2.5$ GHz mechanical breathing mode couples to a 1550 nm optical mode predominantly through the photoelastic effect. We show a significant (30 $\%$) dependence of $g_{0}$ on the device's in-plane orientation, resulting from the difference in GaAs photoelastic coefficients along different crystalline axes, with fabricated devices exhibiting $g_{ ext{0}}/2π$ as high as 1.1 MHz for orientation along the [110] axis. GaAs nanobeam optomechanical crystals are a promising system which can combine the demonstrated large optomechanical coupling strength with additional functionality, such as piezoelectric actuation and incorporation of optical gain media.

研究动机与目标

• 理解并量化移动介质边界与光弹效应在GaAs谐振器中对光机耦合速率 $g_0$ 的贡献。
• 证明在小半径GaAs微盘中，光弹效应相较于移动边界效应占主导地位。
• 设计并制造利用光弹效应实现高 $g_0$ 的GaAs纳米梁光机晶体。
• 研究由于GaAs中各向异性光弹系数导致的 $g_0$ 对平面内晶向的强依赖性。
• 实现高机械品质因数（$Q_m \approx 2000$），并在GaAs器件中观测到辐射压力驱动的自振荡。

提出的方法

• 采用有限元法（FEM）模拟GaAs微盘和纳米梁中的光学驻波模与径向呼吸机械模。
• 利用微扰公式 $\frac{d\omega}{d\alpha} = \frac{\omega_0 \epsilon_0 n^4}{2} \frac{\int_{GaAs} \mathbf{E}^* \cdot \mathbf{p} \cdot \mathbf{S} \cdot \mathbf{E} dx}{\int \epsilon |E|^2 dx}$ 计算光机耦合速率 $g_0$，将移动边界（$g_{0,MB}$）与光弹（$g_{0,PE}$）效应的贡献分离。
• 通过基于晶向的坐标变换旋转光弹张量，以模拟GaAs在不同轴向上表现出的各向异性响应。
• 在GaAs微盘（半径1–5 μm）和纳米梁上开展实验，通过相位调制与标定测量光学透射率、热噪声及 $g_0$。
• 利用基于GaAs单晶弹性常数的各向异性弹性张量模拟机械模频率与位移分布。
• 通过沿不同晶轴（特别是[100]与[110]）制造器件，实验验证了 $g_0$ 对平面内取向的依赖性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在GaAs微盘光机谐振器中，移动介质边界与光弹效应如何随盘半径变化而贡献于 $g_0$？
• RQ2 在小半径GaAs微盘（如R = 1 μm）中，光弹效应与边界运动的相对贡献如何？
• RQ3 在GaAs纳米梁光机晶体中，光机耦合速率 $g_0$ 对平面内晶向的依赖性有多大？
• RQ4 GaAs纳米梁光机晶体能否在室温下实现高 $g_0$ 值，同时保持高机械 $Q$ 因数？
• RQ5 GaAs的弹性与光弹性质各向异性如何影响纳米梁结构中机械模的模式分布与频率？

主要发现

• 对于GaAs微盘，光机耦合速率 $g_0$ 从R = 5 μm时以移动边界效应为主，过渡到R = 1 μm时光弹效应与移动边界效应贡献相等。
• 在GaAs纳米梁光机晶体中，光弹效应是 $g_0$ 的主导机制，沿[110]晶轴方向 $g_0/2\pi$ 达到1.1 MHz。
• 实验观测到 $g_0$ 对平面取向有30%的依赖性，归因于GaAs中大且各向异性的光弹系数 $p_{12}$。
• GaAs纳米梁中机械呼吸模频率在[100]与[110]取向间出现100 MHz的频移，实测频移约为85 MHz，与模拟结果良好一致。
• 在室温与常压下测得机械品质因数 $Q_m \approx 2000$，并通过辐射压力驱动的动力学反作用观测到自振荡。
• 模拟结果表明，$g_{0,MB}$ 在各向异性GaAs中具有取向依赖性，[100]方向为$-73$ kHz，[110]方向为$-15$ kHz，而 $g_{0,PE}$ 在所有取向中均为主导贡献。