[论文解读] Efficient tunable switch from slow light to fast light in quantum opto-electromechanical system

M. Javed Akram, Khalid Naseer+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2015

Quantum Information and Cryptography参考文献 1被引用 6

一句话总结

本文提出一种混合量子光机电系统（QOEMS），通过两个静电耦合的机械谐振器，实现对探测光传输中慢光到快光的可调开关。通过调控库仑耦合强度 $g_c$，系统可在 $g_c \neq 0$ 时呈现慢光（慢光），在 $g_c = 0$ 时呈现快光（快光），两种效应均在透射探测场中被观测到，并且展示了对腔体退相干的强鲁棒性。

ABSTRACT

The control of slow and fast light propagation, in the probe transmission in a single experiment, is a challenging task. This type of control can only be achieved through highly nonlinear interactions and additional interfering pathway(s), which is therefore seldom reported. Here, we devise a scheme in which slow light, and a tunable switch from slow light to fast light can be achieved in the probe transmission based on a hybrid setup, which is composed of an optical cavity with two charged nano mechanical resonators (MRs). The two MRs are electrostatically coupled via tunable Coulomb coupling strength ($g_{c}$) making a quantum opto-electromechanical system (QOEMS). The parameter $g_{c}$ that couples the two MRs can be switched on and off by controlling the bias voltages on the MRs, and acts as a tunable switch that allows the propagation of transmitted probe field as slow light ($g_{c} eq 0$) or fast light ($g_{c} = 0$). In our scheme, the magnitude of delay and pulse advancement can be controlled by tuning the Coulomb interaction and power of the pump field. Furthermore, we show that slow light regime in our model is astonishingly robust to the cavity decay rate. In comparison with previous schemes, our scheme has clear advantages that empowers the state-of-the-art photonic industry as well as reflects the strength of emerging hybrid technologies.

研究动机与目标

• 在单一实验装置中实现慢光与快光传播的可控切换。
• 克服先前方案中需分别使用透射与反射通道来实现慢光与快光的局限性。
• 利用混合光机电耦合增强群速度控制的可调性与鲁棒性。
• 证明在实际腔体退相干速率下，慢光效应仍保持稳定，从而提升实际应用潜力。

提出的方法

• 该系统采用高Q值法布里-珀罗腔，通过辐射压力和静电库仑相互作用，与两个带电的纳米机械谐振器（MRs）耦合。
• 通过施加偏置电压调节两个MRs之间的库仑耦合强度 $g_c$，实现对机械模态杂化的动态控制。
• 在不同泵浦功率和 $g_c$ 条件下分析探测场透射特性，利用群延迟和相位响应识别慢光与快光区域。
• 理论建模采用包含光机械耦合 $g_o$、库仑耦合 $g_c$ 和腔体退相干率 $\kappa$ 的哈密顿量，并在线性化区域求解。
• 通过数值计算透射谱和群延迟，绘制当 $g_c$ 被关闭时，从慢光到快光的过渡过程。
• 通过分析不同 $\kappa$ 值下的群延迟，量化慢光对腔体退相干的鲁棒性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一实验装置能否同时在透射探测场中实现慢光与快光？
• RQ2 两个机械谐振器之间的库仑耦合强度 $g_c$ 如何调控从慢光到快光的过渡？
• RQ3 慢光区域在多大程度上能抵抗腔体退相干率 $\kappa$ 的影响？
• RQ4 在相同配置下，能否通过调节泵浦功率和 $g_c$ 独立控制脉冲延迟与超前？
• RQ5 额外的机械谐振器在生成可调谐透射窗口以实现群速度调控中起到何种作用？

主要发现

• 通过关闭库仑耦合强度 $g_c$，可在探测光透射中实现从慢光到快光的可调开关，该过程可通过偏置电压控制在实验上实现。
• 在透射探测场中同时观测到慢光（负群延迟）与快光（正群延迟），实现在单一装置中的完全控制。
• 慢光区域对腔体退相干率 $\kappa$ 展现出显著鲁棒性，即使在高 $\kappa$ 值下仍能保持显著的群延迟。
• 通过调节泵浦功率和 $g_c$，可调控脉冲延迟与超前的幅度，从而实现对光信号传播的动态控制。
• 由于两个机械谐振器的杂化作用，形成两个独立的透射窗口，通过干涉效应实现开关机制。
• 系统表明，快光行为（以负群延迟为特征）在较低腔体退相干率下更为显著，表明在高品质因子腔中可增强超光速效应。