[論文レビュー] Waveguide cavity optomagnonics for broadband multimode microwave-to-optics conversion

Na Zhu, Xufeng Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2020

Mechanical and Optical Resonators参考文献 30被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、YIGリブ波ガイドを用いた統合波ガイドキャビティ光磁気的プラットフォームを提示し、広帯域でマルチモードのマイクロ波-光変換を実現する。コンact構造内での複数の磁気モードと光モードの強いモード重なりを設計することで、従来のYIG球体ベースのデバイスと比較して、磁気的-光的コープリティビティが3桁上昇し、8.45 GHzで最大16.1 MHzの帯域幅を持つチューナブルな変換が可能になった。

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.

研究の動機と目的

• 大きなデバイス体積に起因するバルクYIGベースの光磁気的システムにおける限られた磁気的-光的相互作用強度を解決する。
• 既存のキャビティ光機械的および電気的光変換マイクロ波-光変換プラットフォームにおける狭帯域とチューナビリティの欠如を克服する。
• 統合波ガイドベースの光磁気的デバイスを用いて、効率的で広帯域かつチューナブルなマイクロ波-光光子変換を実現する。
• マルチモード磁気モードとトリプルレゾンランス増幅を活用し、高いコープリティビティと広い動作帯域幅を達成する。

提案手法

• 複数のフォワードボリューム磁気静的ステーディングウェーブ（FVMSW）磁気モードとファブリペローオプティカルレゾネンスを支持する単結晶YIGリブ波ガイドの設計およびプロセス製造を行う。
• 波ガイドの幾何形状を最適化し、光のTE/TMモードと磁気モードの空間的重なりを最大化することで、磁気的-光的結合を強化する。
• 波ガイドの下部に半波長マイクロストリップキャビティを統合し、約8.45 GHzで磁気モードを励起し、共鳴的なマイクロ波-磁気モード結合を実現する。
• エネルギー保存および位相保存を満たすために、光ポンプモード、信号モード、磁気モードを整列させることでトリプルレゾンランス条件を実現し、変換効率を向上させる。
• λ/2ウェーブプレートと偏光子を用いて偏光制御を実施し、ポンプ光と変換信号の偏光が直交していることを確認することで、共鳴的変換の妥当性を検証する。
• 67 MHzの分解能を持つチューナブルなファブリペローサペクトロメータを用いて、変換された光側帯を測定し、偏光直交性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パターン加工されたYIG波ガイド内でのマルチモード磁気モードが、バルクYIG球体と比較して磁気的-光的結合強度を顕著に向上させることができるか？
• RQ2 波ガイドベースの光磁気的プラットフォームが10 MHzを超える帯域幅を持つ広帯域マイクロ波-光変換を実現できるか？
• RQ3 光モードと磁気モードのモード重なりが、統合光磁気的デバイスにおけるコープリティビティおよび変換効率に与える影響は何か？
• RQ4 光モードおよび磁気モードのチューナビリティが、1つのデバイス内で複数のマイクロ波周波数にわたる周波数変換をどの程度可能にするか？
• RQ5 偏光選択的検出が、マイクロ波-光変換プロセスの共鳴的性質を確認できるか？

主な発見

• 波ガイドキャビティ光磁気的システムは、従来のYIG球体ベースのプラットフォームと比較して、真空中の磁気的-光的コープリティビティが3桁上昇した。
• 8.45 GHzで実験的に16.1 MHzの広帯域マイクロ波-光変換帯域幅が達成され、複数の磁気モードによる集団的変換によって実現された。
• 変換された光信号の偏光はポンプ光と直交しており、λ/2ウェーブプレートを回転させた際の透過光強度にπ/2の位相シフトが観測されたことで確認された。
• 光モードおよび磁気モードの両方に対して高いチューナビリティを示し、1つの統合デバイス内で異なるマイクロ波周波数に適応可能である。
• 測定された光側帯のライン幅は、67 MHz分解能を持つファブリペローサペクトロメータの制限によるものであり、信号の固有ライン幅によるものではない。
• 出力側での偏光フィルタリングにより、TM偏光光に対して約32 dBの遮断が達成され、変換信号の有効な分離が確認された。