[论文解读] Cavity optomechanical bistability with an ultrahigh reflectivity photonic crystal membrane

Feng Zhou, Yiliang Bao+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 18, 2022

Mechanical and Optical Resonators被引用 4

一句话总结

该论文展示了一种具有超高反射率（R = 0.999835）的光子晶体膜，用作法布里-珀罗腔的反射镜，实现了记录性的精细度（F = 35,000(500)）。该系统在亚毫瓦输入功率下表现出稳健的光学机械双稳态及腔透射的滞后特性，且强动态反作用导致机械振荡超过1 MHz，即使存在空气阻尼，这得益于高机械品质因数（Q = 1.1 × 10⁶）和低质量。

ABSTRACT

Photonic crystal (PhC) membranes patterned with sub-wavelength periods offer a unique combination of high reflectivity, low mass, and high mechanical quality factor. We demonstrate a PhC membrane that we use as one mirror of a Fabry-Perot cavity with finesse as high as $F=35,000(500)$, corresponding to a record high PhC reflectivity of $R=0.999835(6)$. The fundamental mechanical frequency is 426 kHz, more than twice the optical linewidth, placing it firmly in the resolved-sideband regime. The mechanical quality factor in vacuum is $Q=1.1(1) imes 10^6$, allowing us to achieve values of the single-photon cooperativity as high as ${\cal C}_0=6.6 imes10^{-3}$. We easily see optomechanical bistability as hysteresis in the cavity transmission. As the input power is raised well beyond the bistability threshold, dynamical backaction induces strong mechanical oscillation above 1~MHz, even in the presence of air damping. This platform will facilitate advances in optomechanics, precision sensing, and applications of optomechanically-induced bistability.

研究动机与目标

• 开发一种具有超高反射率的光子晶体膜，用于高精细度光学机械腔。
• 通过优化光子晶体结构几何参数以实现1550 nm波长下的记录性高精细度。
• 在具有高机械品质因数和低质量的系统中展示光学机械双稳态。
• 探索在分辨边带区域中静态双稳态与动态反作用之间的相互作用。
• 为未来在量子光学机械、精密传感及全光学非线性器件中的应用铺平道路。

提出的方法

• 使用电子束光刻和反应离子刻蚀技术，制备了220 nm厚的氮化硅膜，其具有六边形孔阵列结构。
• 利用S⁴软件和严格耦合波分析（RCWA）优化光子晶体几何结构，以在1550 nm波长处实现最大反射率。
• 将光子晶体膜作为法布里-珀罗腔的一个反射镜，通过透射谱拟合和洛伦兹线型分析测量精细度。
• 对输入激光进行调谐扫描，观察腔透射中的滞后现象，识别双稳态区域。
• 在不同输入功率下测量机械响应，观察到由动态反作用引起的强机械振荡。
• 计算单光子耦合度（C₀ = 6.6 × 10⁻³）和真空中机械品质因数（Q = 1.1 × 10⁶），以评估量子光学机械潜力。

实验结果

研究问题

• RQ1 具有六边形孔阵列的光子晶体膜能否在二维光子晶体结构中实现与最先进的1D高对比度光栅相当或更优的反射率和精细度？
• RQ2 使用具有机械柔性的光子晶体膜作为反射镜时，法布里-珀罗腔可实现的最大精细度是多少？
• RQ3 该系统如何在低光学输入功率下表现出光学机械双稳态？辐射压力在诱导滞后现象中起什么作用？
• RQ4 即使在空气中，动态反作用在多大程度上能诱导超过1 MHz的机械振荡？这对静态双稳态的观测有何影响？
• RQ5 该系统的单光子耦合度是多少？与现有光学机械平台相比如何？

主要发现

• 光子晶体膜实现了记录性的超高反射率R = 0.999835(6)，对应腔精细度F = 35,000(500)。
• 腔精细度表现出与波长相关的洛伦兹依赖关系，与光子晶体滤波和损耗特性共同决定的全局透射谱形状一致。
• 基底机械模式频率为426 kHz，超过光学线宽，表明系统明确处于分辨边带区域。
• 光学机械双稳态在输入功率低于500 μW时清晰表现为腔透射的滞后现象。
• 尽管存在空气阻尼，动态反作用在4 mW输入功率下仍诱导出超过1 MHz的光学弹簧频率的强机械振荡。
• 测得单光子耦合度为C₀ = 6.6 × 10⁻³，显著高于类似系统中的典型值（如10⁻⁷至10⁻⁴），表明存在强光-物质耦合。