[论文解读] Phonon routing in integrated optomechanical cavity-waveguide systems

Kejie Fang, Matthew H. Matheny+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2015

Mechanical and Optical Resonators参考文献 48被引用 5

一句话总结

该论文通过利用通过色散工程的声子波导耦合的两个光机械腔，展示了在集成光机械电路中可调谐的声子路由。通过光学控制抽运相位和功率，系统实现了微波-光信号延迟和非互易传输，当耦合强度为422 MHz时可实现完美隔离（反向传输消失），从而实现片上声子基信息处理和拓扑声子学。

ABSTRACT

The mechanical properties of light have found widespread use in the manipulation of gas-phase atoms and ions, helping create new states of matter and realize complex quantum interactions. The field of cavity-optomechanics strives to scale this interaction to much larger, even human-sized mechanical objects. Going beyond the canonical Fabry-Perot cavity with a movable mirror, here we explore a new paradigm in which multiple cavity-optomechanical elements are wired together to form optomechanical circuits. Using a pair of optomechanical cavities coupled together via a phonon waveguide we demonstrate a tunable delay and filter for microwave-over-optical signal processing. In addition, we realize a tight-binding form of mechanical coupling between distant optomechanical cavities, leading to direct phonon exchange without dissipation in the waveguide. These measurements indicate the feasibility of phonon-routing based information processing in optomechanical crystal circuitry, and further, to the possibility of realizing topological phases of photons and phonons in optomechanical cavity lattices.

研究动机与目标

• 开发一种芯片级光机械电路，利用集成腔-波导系统实现声子的路由与处理。
• 通过声子波导中受控的声子传播，实现可调谐的微波-光信号延迟与滤波。
• 通过声子波导在远距离光机械腔之间实现强且非耗散的机械耦合。
• 探索在光机械晶格中实现拓扑声子相和声子基量子信息处理的可行性。
• 通过驱动场的相位和泵浦功率控制，实现声子传输中的光学非互易性。

提出的方法

• 利用一对通过色散工程声子波导耦合的光机械晶体腔，实现受控的声子输运。
• 为每个腔室分别使用光学抽运，以独立控制光机械耦合速率，实现可调谐的信号路由。
• 使用光学模式和机械模式的耦合运动方程对系统进行建模，包含辐射压力耦合和波导介导的耦合。
• 推导左、右向光学信号的透射系数，表明非互易性源于抽运场相位和振幅的控制。
• 确定完美非互易性的条件：相位差为±π/2，且耦合速率与有效损耗速率匹配，从而实现单向声子传输。
• 通过数值模拟在蓝失谐和红失谐抽运条件下，验证了高隔离度和可调延迟。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否通过声子波导在集成光机械电路中实现声子的路由与延迟？
• RQ2 能否通过光学控制在芯片级光机械系统中实现非互易声子传输？
• RQ3 在基于声子的微波-光信号处理中，实现完美隔离的条件是什么？
• RQ4 能否通过声子波导在远距离腔室之间实现强且非耗散的机械耦合？
• RQ5 该平台在光机械腔格点中实现拓扑声子相的潜力如何？

主要发现

• 当抽运相位差为±π/2且耦合速率与有效损耗速率匹配时，可实现完美非互易传输，从而实现单向声子路由。
• 在典型器件中，实现完美非互易性的最大可实现耦合速率为422 MHz，该值在实验可实现范围内。
• 系统展示了可调谐的微波-光延迟线，信号路由由光学抽运相位和功率控制。
• 数值模拟结果表明，在最优条件下，直通方向的隔离比接近100%，蓝失谐情况下透射效率超过90%。
• 理论与实验结果表明，声子波导的群速度可在呼吸模式带隙内被工程化，实现慢声子传播。
• 两个腔室的混合机械模式在空间上呈扩展分布，但与局域光学模式保持强光机械耦合，从而实现光学与微波信号之间的高效转换。