[论文解读] All-Dielectric Resonant Cavity Electro-Optic Transduction Between Microwave and Telecom

Mihir Khanna, Yang Hu+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 19, 2026

Mechanical and Optical Resonators被引用 0

一句话总结

论文展示了一种在三芯谐振腔中用于微波–电信转换的全介电铌酸锂电光转导器，在室温下实现约1%的峰值效率，g0 ≈ 1.5 Hz，协变性C ≈ 1.7×10^-2，具有潜在的量子传递路径。

ABSTRACT

We present a resonant electro-optic transducer for efficient conversion between microwave and telecom wavelength photons. Our platform employs a bulk lithium niobate crystal whose large dielectric constant creates wavelength-scale confinement of microwave photons. By incorporating this crystal within a high-finesse Fabry - Perot optical cavity, microwave photons couple to optical photons through the electro-optic effect. We demonstrate the ability to tune our system into triply resonant operation, where microwave photons, optical pump photons, and upconverted optical photons are simultaneously resonant with high quality factor electromagnetic modes of the system. The device achieves photon number conversion efficiency at the percent level, comparable to state-of-the-art devices at room temperature -- sufficient to resolve the thermal occupation of the microwave mode -- while avoiding the noise and loss associated with metal electrodes. These results establish our all-dielectric devices as a promising platform for high-precision sensing of optically detected microwave fields and as a viable route toward single-photon-level microwave - optical quantum transduction.

研究动机与目标

• 在室温下无需金属电极，推进高效微波–光学传输以用于量子网络与传感。
• 开发一种使用铌酸锂的 bulk 全介电平台，以在波长级尺度 confin 微波并通过 Pockels 效应耦合到光学模。
• Demonstrate triply resonant operation where microwave, pump, and output optical modes are simultaneously resonant.
• Quantify the single-photon EO coupling rate and cooperativity, and calibrate coupling via observed normal-mode splitting.

提出的方法

• 使用 bulk 铌酸锂板作为介质微波谐振腔，与高品质腔的Fabry–Perot 光学腔耦合。
• 在三重谐振条件下工作，以最大化 EO 互作用并实现单边带转导。
• 用协变性 C = 4 Np g0^2 / (κo κm) 和峰值效率 η_peak = 4C/(1+C)^2 · (κo,ext/κo) · (κm,ext/κm) 来建模转导。
• 从重叠积分和材料参数（包括 χ(2)、折射率和模体积）利用式 3/4 估算 g0。
• 通过在强微波驱动下观察光学正模分裂 Δ_nms = 2√(nm) g0 来标定 g0。
• 通过光学反射、透射和微波反射测量表征器件参数，如 κo、κm、Np。

实验结果

研究问题

• RQ1 在室温下是否可利用 bulk 全介电 LN 结构实现无需金属电极的三重谐振电光传导？
• RQ2 在此架构中的单光子 EO 耦合率 g0 与协变性 C 为何？
• RQ3 系统是否能够在室温下达到约百分比量级的峰值光子数传导效率？
• RQ4 光功率处理与模 confinement 如何影响传导效率与噪声性能？

主要发现

• 单光子 EO 耦合率 g0/2π = 1.5 ± 0.3 Hz，适用于 TM131 模。
• CW泵浦下的协变性：C = (1.7 ± 0.8) × 10^-2。
• 在三重共振、升级光学元件下（κo/2π = 4.1 MHz, κo,ext/2π = 2.8 MHz）时估算的峰值传导效率 η_peak ≈ 1%。
• 强微波驱动产生光学正模分裂 Δ_nms ≈ 103 MHz，可用 nm ≈ (1.3 ± 0.5) × 10^15 对 g0 进行标定。
• 测得的光学腔参数：κo/2π = 4.1 MHz，κo,ext/2π = 2.8 MHz，适用于升级后的器件。
• 升级后的器件达到 Np ≈ 6.5 × 10^10，光功率最高可达 50 mW，允许 η_peak ≈ 1%。
• 对 C > 1 的实现路径以及在低温下接近量子传导状态的潜在操作进行讨论。