[论文解读] Waveguide cavity optomagnonics for broadband multimode microwave-to-optics conversion

Na Zhu, Xufeng Zhang+6 more|arXiv (Cornell University)|May 13, 2020

Mechanical and Optical Resonators参考文献 30被引用 7

一句话总结

本文提出了一种基于YIG条波导的集成波导腔光磁平台，实现了超宽带、多模的微波-光子转换。通过在紧凑结构中工程化多个自旋波模式与光模式之间的强重叠，该系统实现了比以往基于YIG球体的器件高出三个数量级的磁光协同度，从而在8.45 GHz频率下实现了高达16.1 MHz带宽的可调转换。

ABSTRACT

Cavity optomagnonics has emerged as a promising platform for studying coherent photon-spin interactions as well as tunable microwave-to-optical conversion. However, current implementation of cavity optomagnonics in ferrimagnetic crystals remains orders of magnitude larger in volume than state-of-the-art cavity optomechanical devices, resulting in very limited magneto-optical interaction strength. Here, we demonstrate a cavity optomagnonic device based on integrated waveguides and its application for microwave-to-optical conversion. By designing a ferrimagnetic rib waveguide to support multiple magnon modes with maximal mode overlap to the optical field, we realize a high magneto-optical cooperativity which is three orders of magnitude higher compared to previous records obtained on polished YIG spheres. Furthermore, we achieve tunable conversion of microwave photons at around 8.45 GHz to 1550 nm light with a broad conversion bandwidth as large as 16.1 MHz. The unique features of the system point to novel applications at the crossroad between quantum optics and magnonics.

研究动机与目标

• 解决体材料YIG基光磁系统中由于器件体积过大而导致的磁光相互作用强度受限的问题。
• 克服现有腔光机械和电光微波-光子转换平台存在的带宽窄和缺乏可调性的问题。
• 利用集成波导基光磁器件实现高效、超宽带且可调的微波-光子转换。
• 利用多模自旋波共振与三重共振增强，实现高协同度和宽工作带宽。

提出的方法

• 设计并制备单晶YIG条波导，以支持多个正向体积磁静力驻波（FVMSW）自旋波模式和法布里-珀罗光共振。
• 通过优化波导几何结构，最大化光TE/TM模式与自旋波模式之间的空间重叠，增强磁光耦合。
• 在波导下方集成半波长微带线微波腔，以在约8.45 GHz频率激发自旋波，并实现共振微波-自旋波耦合。
• 通过调节光泵浦模式、信号模式与自旋波模式的共振频率，实现能量与相位守恒的三重共振条件，从而提升转换效率。
• 利用λ/2波片和偏振片实现偏振控制，验证泵浦光与转换信号光的正交偏振特性，确认转换过程的相干性。
• 采用分辨率为67 MHz的可调法布里-珀罗光谱仪测量转换后的光学边带，并确认偏振正交性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与体材料YIG球体相比，图案化YIG波导中的多模自旋波共振是否能显著增强磁光耦合强度？
• RQ2 基于波导的光磁平台是否能够实现带宽超过10 MHz的超宽带微波-光子转换？
• RQ3 光模式与自旋波模式之间的模式重叠程度如何影响集成光磁器件中的协同度与转换效率？
• RQ4 光学模式与自旋波模式的可调性在多大程度上可实现在单个器件中对不同微波频率的频率转换？
• RQ5 偏振选择性探测是否能够确认微波-光子转换过程的相干特性？

主要发现

• 该波导腔光磁系统实现了比以往基于YIG球体的平台高出三个数量级的真空磁光协同度。
• 在8.45 GHz频率下，实验验证了16.1 MHz的超宽带微波-光子转换带宽，该性能由多个自旋波模式的集体转换所实现。
• 转换后的光学信号偏振方向与泵浦光正交，通过旋转λ/2波片并观察透射功率出现π/2相移得到证实。
• 系统对光学模式与自旋波模式均表现出高度可调性，可在单个集成器件中适配不同微波频率。
• 测量得到的光学边带线宽受限于法布里-珀罗光谱仪的67 MHz分辨率，而非信号本身的固有线宽。
• 输出端的偏振滤波实现了对TM偏振光约32 dB的抑制，证实了转换信号的有效隔离。