[论文解读] Diamond nanobeam waveguide optomechanics

Behzad Khanaliloo, Harishankar Jayakumar+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 6, 2015

Mechanical and Optical Resonators被引用 2

一句话总结

该论文展示了在金刚石纳米梁波导中实现高灵敏度光机械耦合，通过可扩展的刻蚀工艺，实现了35 GHz/nm带宽和9.5 fm/√Hz的位移灵敏度。器件支持高品质量机械共振（在5 K时高达7.2×10⁵），并在亚微瓦光学功率下表现出超过200 nm振幅的机械自振荡，适用于与量子系统集成。

ABSTRACT

Optomechanical devices sensitively transduce and actuate motion of nanomechanical structures using light. Single--crystal diamond promises to improve the performance of optomechanical devices, while also providing opportunities to interface nanomechanics with diamond color center spins and related quantum technologies. Here we demonstrate dissipative waveguide--optomechanical coupling exceeding 35 GHz/nm to diamond nanobeams supporting both optical waveguide modes and mechanical resonances, and use this optomechanical coupling to measure nanobeam displacement with a sensitivity of $9.5$ fm/$\sqrt{ ext{Hz}}$ and optical bandwidth $>150$nm. The nanobeams are fabricated from bulk optical grade single--crystal diamond using a scalable undercut etching process, and support mechanical resonances with quality factor $2.5 imes 10^5$ at room temperature, and $7.2 imes 10^5$ in cryogenic conditions (5K). Mechanical self--oscillations, resulting from interplay between photothermal and optomechanical effects, are observed with amplitude exceeding 200 nm for sub-$\mu$W absorbed optical power, demonstrating the potential for optomechanical excitation and manipulation of diamond nanomechanical structures.

研究动机与目标

• 开发一种可扩展的单晶金刚石纳米梁波导制造方法，集成光学与机械模式。
• 在金刚石中实现高光机械耦合，以增强纳米机械传感的灵敏度与带宽。
• 在室温和低温条件下（5 K）分别实现超过2.5×10⁵和7.2×10⁵的机械品质因数。
• 实现亚微瓦功率下的光学驱动与纳米机械运动探测，支持量子应用。

提出的方法

• 采用在体块光学级单晶金刚石上进行可扩展的刻蚀工艺，制备金刚石纳米梁。
• 设计支持横向磁（TM）光学模式和局域机械共振的波导结构。
• 利用耗散性光机械耦合，通过光程长度和传播损耗的变化实现机械运动的转导。
• 使用干涉测量技术测量位移灵敏度，光学带宽超过150 nm。
• 在室温和5 K下表征机械品质因数，以评估能量耗散和热噪声。
• 施加亚微瓦光学功率，诱导光热和光机械反馈，从而引发自振荡。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过可扩展的制造工艺在单晶金刚石纳米梁波导中实现高光机械耦合？
• RQ2 金刚石纳米梁在室温和低温条件（5 K）下的机械品质因数是多少？
• RQ3 在宽带光学探测下，该光机械系统的位移灵敏度如何？
• RQ4 能否在亚微瓦光学功率下诱导金刚石纳米梁的机械自振荡？
• RQ5 该光机械系统在多大程度上可与金刚石色心自旋集成，以支持量子技术？

主要发现

• 器件实现了超过35 GHz/nm的耗散性光机械耦合，实现了对机械运动的高灵敏度转导。
• 测得的位移灵敏度为9.5 fm/√Hz，表明在光学域中实现了亚飞米分辨率。
• 光学带宽超过150 nm，支持对机械动力学的宽带光学探测。
• 实现了室温下2.5×10⁵和5 K下7.2×10⁵的机械品质因数，表明能量耗散极低。
• 在亚微瓦吸收光学功率下观察到振幅超过200 nm的机械自振荡，表明存在强光机械反馈。
• 可扩展的刻蚀工艺实现了高保真度的单晶金刚石纳米梁制造，兼具集成光学与机械功能。