Отправлено 20 Июль 2021 - 15:16
С 1920-х годов фотон-фононное рассеяние Бриллюэна [1–3] стало предметом интенсивных и разнообразных исследований. Это нелинейно-оптическое явление наблюдалось во многих физических системах, включая объемные кристаллы [4], оптические волокна [5,6], интегрированные устройства, такие как кремниевые фотонные волноводы [7], микросферические резонаторы из кремнезема [8] и объемные кристаллические резонаторы [9]. В настоящее время интерес к этому взаимодействию возрождается, и недавно был выявлен его потенциал для внесения вклада как в классические, так и в квантовые приложения обработки информации. Известные примеры приложений рассеяния Бриллюэна включают оптическую задержку и память [10,11], когерентный волноводный интерфейс и фильтрацию [11–13], невзаимность [14,15], а также переключение, формирование импульсов и другие оптические технологии, такие как в качестве волоконных лазеров Бриллюэна и усилителей [16]. Более того, рассеяние Бриллюэна обеспечивает мост между светом и звуком и предлагает привлекательный путь для когерентного соединения микроволнового и оптического диапазонов.
Область рассеяния Бриллюэна теперь сливается с быстрорастущей областью квантовой оптомеханики резонатора. Это слияние предлагает новые возможности для управления фононными степенями свободы на квантовом уровне для разработки новых приложений, таких как датчики слабых сил, и для изучения основ квантовой физики в макроскопическом масштабе. В квантовой оптомеханике радиационное давление - одно из наиболее часто используемых взаимодействий [17], которое следует противопоставить электрострикции и фотоупругости, которые являются центральными в физике рассеяния Бриллюэна. Для многих оптомеханических протоколов жизненно важно, чтобы была достигнута большая степень связи между электромагнитной и механической степенями свободы. Как и в других аспектах квантовой оптики, таких как резонатор [18,19] и квантовая электродинамика контуров [20], важно достичь скорости связи, превышающей скорости распада, присутствующие в системе. Этот режим сильной связи был теоретически исследован для связи поля оптического резонатора с механическим осциллятором [21,22] и теперь наблюдается в оптомеханических [23] и электромеханических [24] системах, где характерное Раби-подобное расщепление механической мощности спектральная плотность была продемонстрирована. В оптомеханике также важно, чтобы скорость связывания превышала скорость механической декогеренции, чтобы обеспечить когерентный контроль механической степени свободы. Этот режим когерентной связи также наблюдался как в оптомеханических [25], так и в электромеханических системах [26], и открывает захватывающие перспективы когерентной передачи квантового состояния между светом и механическим движением.
Бриллюэновские взаимодействия [27–32] в основном изучались в стимулированном режиме, который дает большой сигнал стоксова рассеяния; однако в последнее время все большее внимание уделяется антистоксовому рассеянию, которое актуально для приложений квантового управления в оптомеханике. Например, лазерное охлаждение механической моды с частотой МГц было выполнено с использованием прямого рассеяния Бриллюэна [33], аналогичное прямое рассеяние Бриллюэна использовалось для подавления рэлеевского рассеяния [34], совсем недавно было обнаружено тепловое антистоксово рассеяние от кремниевого волновода [35]. ], а в объемных кристаллических резонаторах идентифицированы сверхдолгоживущие высокочастотные фононные моды [9]. Оптомеханика Бриллюэна, работающая в режиме обратного рассеяния, объединяет несколько полезных свойств. Примечательно, что высокие механические частоты (> 10 ГГц
) позволяют достичь низких тепловых нагрузок с помощью стандартной коммерческой криогеники; высокая разделимость между оптической накачкой и рассеянным оптическим сигналом может быть более легко достигнута благодаря большому разделению частот и обратному направлению рассеяния; а также могут выполняться операции с высокой пропускной способностью и многими длинами волн, которые обеспечивают расширенные возможности обработки квантовой информации. Наблюдение сильной связи для механических мод ГГц до сих пор ускользало от сообществ оптомеханики и рассеяния Бриллюэна, и вход в этот режим позволил бы использовать эти объединенные благоприятные свойства для развития оптомеханической квантовой технологии и продвижения вперед в фундаментальной квантовой науке.
Здесь мы сообщаем о наблюдении сильной связи между оптической модой шепчущей галереи микрорезонатора из плавленого кварца и механической бегущей волной на частоте 11 ГГц посредством антистоксова рассеяния Бриллюэна. Это достигается с помощью непрерывной накачки на длине волны 1550 нм, которая резонансно усиливается за счет режима вспомогательного резонатора. Поле накачки распространяется против механической моды и рассеивается на тепловых фононах, создавая антистоксов оптический сигнал, распространяющийся в обратном направлении, в то время как стоксово рассеяние (которое может привести к вынужденному рассеянию Бриллюэна) не резонирует с откликом резонатора и, таким образом, сильно подавлен. Затем измеряется антистоксов сигнал с помощью гетеродинного детектирования. Поскольку диоксид кремния имеет чрезвычайно низкие оптические потери при распространении, можно использовать сильное поле накачки для достижения скорости связи, которая намного превышает скорости оптического и механического демпфирования. В спектрах гетеродина наблюдаются расщепление нормальных мод и предотвращение пересечения, что обеспечивает однозначные экспериментальные признаки сильной связи.