[论文解读] Cavity optomechanics with surface acoustic waves

Ayato Okada, Fumikazu Oguro+5 more|arXiv (Cornell University)|May 12, 2017

Mechanical and Optical Resonators参考文献 36被引用 6

一句话总结

本文提出了一种腔光机械系统，通过压电LiNbO₃基板中的光弹性效应，将表面声波（SAW）与光学Fabry-Pérot腔耦合。利用光弹性的张量特性，该系统表现出偏振依赖的光子-SAW耦合，实现了 $ g_0/2ackslashpi = 60 $ mHz 的光机械耦合速率，并可通过腔体微型化和改善模式重叠，将耦合速率提升至约10 Hz。

ABSTRACT

We report a development of an electro-optomechanical system based on a surface acoustic wave (SAW), where a piezoelectric material with a large optoelastic susceptibility is used for the coupling of both a radio wave and optical light to the SAW. In the optical domain, we exploit a tensorial nature of the optoelastic effect to show a polarization dependence of the photon-SAW interaction. We discuss the construction of two-dimensional SAW focusing circuits for the coupling enhancement and the optical cavity enhanced photon-phonon scattering. We estimate an optomechanical coupling rate $g_0$ of the system and discuss the future direction for the improvement of the coupling strength.

研究动机与目标

• 开发一种电光机械系统，通过具有高光弹性敏感性的压电基板，将射频SAW与光学腔耦合。
• 通过利用SAW基板中光弹性的各向异性张量特性，实现偏振依赖的光机械耦合。
• 通过二维SAW聚焦电路和光学腔增强，提升光子-声子耦合。
• 估算可实现的光机械耦合速率 $ g_0 $，并识别提升至实现机械模式量子控制的路径。

提出的方法

• 在Y切LiNbO₃基板上，利用同心Bragg反射镜和梳状电极（IDTs）制作平面SAW谐振器，以在87 MHz频率下限制和激发SAW。
• 使用聚焦激光束扫描SAW谐振器，探测腔长因光弹性效应引起的调制，采用外差检测和锁相放大技术提取光学信号调制。
• 通过测量的光学相位偏移和SAW的零点运动，利用关系式 $ g_0 = \partial \omega_c / \partial x \cdot \delta x $ 推导出光机械耦合速率 $ g_0 $，其中 $ \delta x $ 为零点运动引起的有效腔长波动。
• 理论建模估算出零点应变振幅 $ U_{\rm zpf} \approx 1 \times 10^{-2} $ fm，与实验估算一致，基于SAW波长 $ \lambda_{\rm SAW} = 40~\mu\text{m} $ 和模场面积。
• 在实际条件下评估系统的合作度，通过减小腔长和提高Q值，有望实现 $ C \approx 1 $。
• 提出一种设计策略，通过在SAW谐振器下方嵌入光学波导，实现光学与声学场的相位匹配及平行波矢重叠，以增强耦合。

实验结果

研究问题

• RQ1 压电基板中的表面声波能否通过光弹性效应，实现与光学腔的强、偏振依赖的光机械耦合？
• RQ2 在平面SAW谐振器与Fabry-Pérot腔耦合的系统中，可实现的光机械耦合速率 $ g_0 $ 是多少？其与腔长和模式重叠的关系如何？
• RQ3 SAW基板的各向异性和光弹性效应的张量特性如何影响光子-SAW相互作用的偏振依赖性？
• RQ4 SAW基光机械系统中实现高Q值和强耦合的主要限制因素是什么？如何缓解？
• RQ5 该系统能否实现合作度 $ C \approx 1 $，从而实现对SAW模式的量子控制（如激光冷却）？”

主要发现

• 实验测得光机械耦合速率 $ g_0/2\pi $ 为60 mHz，通过光弹性效应清晰证实了光子-SAW的相互作用。
• SAW的零点应变振幅估算为 $ U_{\rm zpf} = 0.5 \times 10^{-2} $ fm，与理论估算值 $ 1 \times 10^{-2} $ fm一致，验证了测量模型的可靠性。
• 由于Y切LiNbO₃基板中光弹性张量的各向异性，该系统表现出偏振依赖的耦合，可通过调节偏振实现对SAW模式的光学调控。
• 理论分析表明，若将光学腔长减小至300 μm，并采用光纤腔，可使 $ g_0 $ 提升至约10 Hz，与最先进的微波-光转换器性能相当。
• 在机械Q因子为 $ 10^5 $、光学输入功率为10 mW且减小腔长的条件下，系统的合作度 $ C $ 可达约1，从而实现对SAW模式的量子控制。
• 提出使用AlN或ZnO等各向同性压电材料在各向同性基板上，通过最小化速度色散效应，作为实现更高Q值的潜在路径。