[論文レビュー] Nonreciprocal photon blockade via quadratic optomechanical coupling

Xun‐Wei Xu, Yan-Jun Zhao+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 20, 2018

Mechanical and Optical Resonators参考文献 63被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、モード反クロスを用いて二次的光力学結合を設計することで、ウィスピング・ギャラリー・モード（WGM）光力学系における非再帰的光子ブロッキングを提案する。光を一方の方向に励起することで、強い光子反相関を示す方向性のある単一光子輸送が可能となる。主な結果として、非線形結合と熱フォノン制御を用いることで、高隔離性かつ可変な量子統計を持つ一方向光子ブロッキングが達成される。

ABSTRACT

We propose to manipulate the statistic properties of the photons transport nonreciprocally via quadratic optomechanical coupling. We present a scheme to generate quadratic optomechanical interactions in the normal optical modes of a whispering-gallery-mode (WGM) optomechanical system by eliminating the linear optomechanical couplings via anticrossing of different modes. By optically pumping the WGM optomechanical system in one direction, the effective quadratic optomechanical coupling in that direction will be enhanced significantly, and nonreciprocal photon blockade will be observed consequently. Our proposal has potential applications for the on-chip nonreciprocal single-photon devices.

研究の動機と目的

• WGM光力学系における二次的光力学結合を用いた非再帰的光子ブロッキングの実証。
• 異なる光学モードの反クロスを用いて線形光力学結合を抑圧し、通常の光学モードにおける二次的結合を分離する。
• 一方向の光学励起を用いて光子統計の方向制御を達成する。
• 熱フォノンが非再帰的輸送および光子統計をどのように調節するかを調査する。
• 非再帰的単一光子デバイス（イソレータ、ルータ、光源など）のチップ内実装を可能にする。

提案手法

• WGM系における異なる光学モードの反クロスを用いて、線形結合を排除し、二次的光力学結合を設計する。
• 強い一方向光学ポンプを用いて、励起方向でのみ有効な二次的結合を強化する。
• 結合定数GおよびデチューニングΔを含む有効ハミルトニアンを導出する。
• 解像されたサイドバンド限界（ωm ≫ γc）で系を解析し、強い非線形効果を保証する。
• 透過係数T21およびT12、および2次相関関数g(2)21(0)を計算し、非再帰性と光子統計を定量的に評価する。
• 実験的実装において、強い駆動場から弱いプローブ信号を分離するためにスペクトルフィルタリングを用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WGM系の通常の光学モードにおいて、線形結合を抑圧することで二次的光力学結合を設計可能か？
• RQ2 一方向光学励起が二次的結合を強化し、非再帰的光子ブロッキングを誘発するメカニズムは何か？
• RQ3 熱フォノンが非再帰的領域における隔離比および光子統計に果たす役割は何か？
• RQ4 高い透過率と強い反相関を満たす非再帰的光子ブロッキングが達成可能か？
• RQ5 特にΔ = ±√6GおよびΔ = √2G近辺でのデチューニングに応じた系の挙動はどのように変化するか？

主な発見

• 一方の方向に励起された系では、T21 ≫ T12となる非再帰的光子ブロッキングが達成され、一方向の単一光子輸送が実証された。
• デチューニングΔ = ±√6Gでは、熱フォノン数n_thが増加するにつれて|1₀⟩フォノン状態の占有が増加し、隔離比T21/T12が向上する。
• Δ = ±√6Gで光子反相関（g(2)21(0) < 1）が観測され、透過光場が強い単一光子的性質を示していることが示された。
• Δ = √2Gでも熱フォノンが存在するが、隔離性は頑健に保たれるが、n_thの増加に伴い反相関が弱まる。
• Δ = 0およびΔ = ±√2Gでは、隔離性とg(2)21(0)の両方が熱フォノンに強く依存しており、超低温センシングへの応用が可能である。
• グラフェンやフォトニクスクリスタルWGMキャビティで達成可能な解像されたサイドバンド条件およびスペクトルフィルタリング技術により、実験的実現可能性が裏付けられた。