[论文解读] Mechanical Spectroscopy of Parametric Amplification in a High-Q Membrane Microresonator

Shuhui Wu, Jiteng Sheng+3 more|Figshare|Jul 31, 2017

Mechanical and Optical Resonators参考文献 74被引用 11

一句话总结

本研究展示了一种压电控制的氮化硅膜光电子机械系统，实现了参量放大，使机械品质因数（Q因子）提升超过两个数量级——在室温下达到约3×10⁸，并实现了接近-3 dB极限的热机械噪声压缩。该系统通过电驱动实现对机械特性的动态调制，同时保持了化学计量比氮化硅膜的高本征品质因数。

ABSTRACT

We develop a stoichiometric SiN membrane-based optoelectromechanical system, in which the properties of the mechanical resonator can be dynamically controlled by the piezoelectric actuation. The mode splitting is observed in the mechanical response spectra of a phase-sensitive degenerate parametric amplifier. In addition, the quality factor Q of the membrane oscillator in this process is signicantly enhanced by more than two orders of magnitude due to the coherent amplication, reaching a Q factor of ~ 3*10^8 and a f*Q product of ~ 8*10^14 at room temperature. The thermomechanical noise squeezing close to -3 dB limitation is also achieved. This system integrates the electrical, optical and mechanical degrees of freedom without compromising the exceptional material properties of SiN membranes, and can be a useful platform for studying cavity optoelectromechanics.

研究动机与目标

• 开发一种集电学、光学和机械自由度于一体的光电子机械平台，同时不降低氮化硅膜的性能。
• 在化学计量比氮化硅膜中，通过压电驱动实现对机械谐振器特性的动态控制。
• 通过相干参量放大，在高Q因子膜谐振器中实现显著的Q因子增强。
• 利用简并参量放大，在室温机械系统中实现热机械噪声压缩。
• 提供一种可扩展、适合制造的平台，用于研究腔光电子机械学和非线性量子动力学。

提出的方法

• 将50 nm厚的化学计量比氮化硅膜悬挂在200 μm厚的硅框架上，通过张应力和几何结构调节其谐振频率。
• 通过直接键合在膜基底上的环形致动器施加压电驱动，实现对膜张力和弹簧刚度的动态调制。
• 采用具有相位敏感性的泵浦场实现简并参量放大，以相干方式放大谐振频率下的机械运动。
• 利用双相混频器测量机械响应谱，检测谐振子运动的正交分量。
• 通过瞬态激励后的自由振荡衰减测量提取Q因子，采用指数拟合确定衰减时间。
• 通过测量热平衡和参量放大条件下谐振子在相空间中的概率密度函数，量化噪声压缩程度。

实验结果

研究问题

• RQ1 压电驱动是否能在不损害其本征品质的前提下，动态调控高Q因子氮化硅膜谐振器的机械特性？
• RQ2 在室温氮化硅膜系统中，参量放大可将机械Q因子增强到何种程度？
• RQ3 能否通过简并参量放大在氮化硅膜光电子机械系统中实现热机械噪声压缩？
• RQ4 非线性如何影响该系统中参量放大器的性能和工作区域？
• RQ5 在参量放大条件下，氮化硅膜系统可实现的最大f×Q乘积是多少？是否满足基态冷却的要求？

主要发现

• 由于相干参量放大，机械Q因子提升了超过两个数量级，在室温下达到约3×10⁸。
• f×Q乘积达到约8×10¹⁴，超过从室温实现机械振子基态冷却所需的阈值。
• 在机械响应谱中观察到模式分裂，证实了相位敏感性简并参量放大器的运行。
• 实现了-2.1 dB的热机械噪声压缩，接近量子极限的-3 dB。
• 系统在略高于参量不稳定性阈值的弱非线性区域表现出稳定运行，从而可进入非线性动力学区域。
• 本工作中测得的最高Q因子为迄今在氮化硅膜中直接报道的最高值，且无需复杂的纳米加工工艺。