This thesis presents the development and characterisation of an optomechanicalsystem (OMS) with the aim to be part of an all-optical coherent quantum noisecancellation scheme (CQNC), as proposed by Tsang & Caves in 2010. The goal of sucha CQNC experiment is to enhance the sensitivity of conventional optomechanicaldisplacement and force detectors. Their sensitivity limit is described by a trade-offbetween shot noise and quantum backaction noise, forming the standard quantumlimit of interferometry. This thesis explores the fundamental principles of CQNC andinvestigates the potential benefits of modifying the mechanical oscillator’s dynamicsin the OMS through dynamical backaction using a second beam. The findingssuggest that such modifications may be advantageous in the resolved sidebandregime. Further investigations are needed due to the vast parameter space involved.However, as shown in previous studies and recapitulated within this thesis, evenwithout a cooling beam quantum backaction noise suppression within an all-opticalCQNC experiment is feasible.The experimental setup for an all-optical CQNC involves a shot noise limitedprobe beam. To achieve this condition, a filter cavity is used to suppress laser amplitude noise. The results indicate that the amplitude noise in transmission is shot noiselimited above frequencies of 1 MHz at a power of 1 mW, making this stabilisationscheme suitable for a CQNC experiment.The main focus of this thesis is the development and characterisation of theoptomechanical system, one subsystem of the CQNC experiment. The work focused on achieving and measuring a high optomechanical coupling strength (g)between light and a silicon nitride membrane representing the mechanical oscillator.Thus, experimental investigations are conducted to determine the optimal positionwithin the optomechanical system where the coupling strength is highest. However,measurements at cryogenic temperatures, necessary for quantum backaction noiselimitation, could not be performed due to technical challenges. The operation of theoptomechanical oscillator in a cryogenic environment remains a pending task.Nevertheless, two experiments of the optomechanical system are successfullyperformed at room temperature and low pressure (10−7 mbar). Both experiments,an optomechanically induced transparency (OMIT) experiment and a dynamicalbackaction (DBA) experiment provide relevant values. The measurements reveal thatthe membrane used in the experiments is unsuitable for all-optical CQNC due to itsquality factors and coupling strength, which do not meet the quantum backactioncooperativity requirement. To improve precision in extracting quality factors andachieve higher sensitivity, a ring-down measurement is recommended for futureinvestigations. Also, once measurements at cryogenic temperature are feasible, techniques like displacement calibration and quantum noise thermometry for accuratetemperature measurements have to be established.In conclusion, the developed optomechanical system holds promise for realisingall-optical CQNC once optomechanical oscillators with higher quality factors areused, and cryogenic temperature operation becomes feasible. The thesis also touchesupon strategies to surpass the standard quantum limit (SQL) and cancel quantum backaction noise using an all-optical CQNC scheme with an effective negative massoscillator. Further characterisation and investigation of the positive mass oscillatorare conducted to advance the implementation of all-optical CQNC.
Diese Arbeit präsentiert die Charakterisierung und Entwicklung eines optomechanischen Systems (OMS) mit dem Ziel, Teil eines kohärenten Quantenrauschunterdrückungs (CQNC) -Experimentes zu werden. Die grundlegende Idee hierfür wurdebereits 2010 von Tsang & Caves vorgeschlagen. Das Ziel eines solchen CQNCExperiments ist es, die Empfindlichkeit konventioneller optomechanischer Kraft- undLängendetektoren zu erhöhen. Ihre Empfindlichkeit wird durch einen Kompromisszwischen quantenmechanischem Rückwirkungsrauschen und Schrotrauschen beschrieben. Das Zusammenspiel beider Rauscharten bildet das Standard-Quantenlimitder Interferometrie.Diese Arbeit untersucht die grundlegenden Prinzipien von CQNC sowie die möglichen Vorteile einer Modifikation der Dynamik des optomechanischen Systems durchVerwendung eines zusätzlichen Strahles. Die theoretische Betrachtung legt nahe, dassModifikationen, hervorgerufen durch den zusätzlichen Strahl, nur im Bereich desaufgelösten Seitenbandes (resolved sideband regime) vorteilhaft sein können. WeitereUntersuchungen sind aufgrund des umfangreichen Parameterbereichs erforderlich.Früheren CQNC Studien zeigten, dass selbst ohne einen zusätzlichen Stahl, eineUnterdrückung des quantenmechanischen Rückwirkungsrauschens innerhalb einesCQNC-Experiments möglich ist.Der experimentelle Aufbau des CQNC Experiments beinhaltet einenSchrottrausch-begrenzten Laserstrahl. Um einen solchen Strahl zu erzeugen,wird eine Filterkavität verwendet, um das Amplitudenrauschen des Lasers zuunterdrücken. Die Messergebnisse zeigen, dass das Amplitudenrauschen desLaserstrahles, aufgrund der Filterkavität, oberhalb einer Frequenz von 1 MHz beieiner Leistung von 1 mW schrottrauschbegrenzt ist. Daher ist diese Filterkavitätzur Unterdrückung von Amplitudenrauschen hinsichtlich der Anforderung für einCQNC Experiment geeignet.Das Hauptaugenmerk dieser Arbeit liegt auf der Charakterisierung und Entwicklung des optomechanischen Systems, da dieser ein Teilsystem des CQNCExperiments ist. Die Arbeit konzentriert sich darauf, eine hohe optomechanischeKopplungsstärke zwischen Licht und einer Siliziumnitridmembran als mechanischemOszillator zu erreichen. Aus diesem Grund wurden experimentelle Untersuchungendurchgeführt, um die Position der Membran im optomechanischen System zu bestimmen, an der die Kopplungsstärke am höchsten ist. Messungen bei kryogenenTemperaturen, die für die Begrenzung des quantenmechanischen Rückwirkungsrauschens erforderlich sind, konnten aufgrund technischer Herausforderungen nichtumgesetzt werden. Der Betrieb des optomechanischen Oszillators in einer kryogenenUmgebung bleibt daher eine offene Aufgabe.Dennoch wurden zwei Experimente mit dem optomechanischen System erfolgreich bei niedrigem Druck (10−7 mbar) und Raumtemperatur durchgeführt. BeideExperimente, das eine Experiment zur optomechanisch induzierten Transparenz(OMIT) und das andere Experiment zur dynamischen Rückwirkung (DBA), liefertenrelevante Werte. Die Messungen zeigen jedoch, dass die für die Experimente verwendete Membran aufgrund ihrer Gütefaktoren und Kopplungsstärke nicht für ein CQNC-Experiment geeignet ist. Um die Genauigkeit der Messung von Gütefaktorenzu verbessern und eine höhere Empfindlichkeit zu erreichen, wird für zukünftigeUntersuchungen der Membranen eine Ring-Down-Messung empfohlen. Außerdemmüssen, sobald Messungen bei kryogenen Temperaturen möglich sind, Technikenzur genauen Temperaturmessung etabliert werden.Zusammenfassend hat das entwickelte optomechanische System das Potenzial,ein Teilsystem für ein CQNC-Experiment zu werden, sofern optomechanische Oszillatoren mit höheren Gütefaktoren verwendet werden und der Betrieb bei kryogenenTemperaturen möglich wird. Weiterführende Charakterisierungen und Untersuchungen des Oszillators mit positiver Masse werden durchgeführt, um die Umsetzungvon all-optischem CQNC voranzutreiben.