[論文レビュー] Crosstalk-free multi-wavelength coherent light storage via Brillouin interaction

Birgit Stiller, Moritz Merklein+5 more|arXiv (Cornell University)|Mar 23, 2018

Mechanical and Optical Resonators参考文献 24被引用数 3

ひとこと要約

本論文は、相互作用長にわたる蓄積された位相不一致を活用することで、ブリュアントンに基づく系においてクロストークを発生させない、整合的な多波長光の記録を実証した。25–100 GHzの間隔で配置された光パルスを同時に記録可能であり、音響フォノンが周波数で重複しても、クロストークは無視できるほど小さい。この手法は整合性を保持し、各波長チャネルごとに選択的なリトリーブを可能とし、光メモリおよび信号処理応用における高密度波長多重化を実現する。

ABSTRACT

Stimulated Brillouin scattering drives a coherent interaction between optical signals and acoustic phonons and this effect can be used for storing optical information in acoustic waves. An important consideration arises when multiple optical frequencies are simultaneously employed in the Brillouin process: in this case the acoustic phonons that are addressed by each optical wavelength can be separated by frequencies far smaller than the acoustic phonon linewidth, potentially leading to crosstalk between the optical modes. Here we extend the concept of Brillouin-based light storage to multiple wavelength channels. We experimentally and theoretically show that the accumulated phase mismatch over the length of the spatially extended phonons allows each optical wavelength channel to address a distinct phonon mode, ensuring negligible crosstalk, even if the phonons overlap in frequency. Moreover, we demonstrate that the strict phase matching condition enables the preservation of the coherence of the opto-acoustic transfer at closely spaced multiple acoustic frequencies. This particular phase-mismatch for broad-bandwidth pulses has far-reaching implications allowing dense wavelength multiplexing in Brillouin-based light storage, multi-frequency Brillouin sensing, multi-wavelength Brillouin lasers, parallel microwave processing and quantum photon-phonon interactions.

研究の動機と目的

• 密に配置された光周波数が重なり合う音響フォノンを生成する多波長ブリュアントンベース光記録におけるクロストーク問題に対処すること。
• パルス相互作用長にわたる位相不一致が、異なる光波長チャネル間のクロストークを抑制できることを示すこと。
• 理論的および実験的に、周波数的および空間的重複があるにもかかわらず、分離されたフォノンモードに整合情報が独立して記録およびリトリーブ可能であることを検証すること。
• 信号劣化やチャネル間干渉が生じない状態で、ブリュアントンメモリシステムに高密度波長多重化を実現すること。

提案手法

• 波導内で、刺激的ブリュアントン散乱（SBS）を用いて、光パルスを進行する音響フォノンに整合的に転送する。
• パルスの空間的長さにわたって蓄積される位相一致条件を採用し、不一致フォノンモードへの結合を抑制する。
• クロストーク挙動を調査するために、帯域幅を制御したパルス（500 MHz ～ 10 GHz）と可変なチャネル間隔（25–100 GHz）を用いる。
• クロストークがパルス時間的波形にどのように依存するかを分析するために、ガウス波形および矩形波形を用いる。
• 二重波長入力パルスを用いた実験的検証を行い、リトリーブ忠実度およびクロストークレベルを測定する。
• 三波相互作用ダイナミクスに基づく理論的モデルを構築し、位相蓄積によるクロストーク抑制を説明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 対応する音響フォノンが周波数で重複する状況下でも、ブリュアントンベースシステムにおいて複数の光波長チャネルをクロストークなしで整合的に記録できるか？
• RQ2 相互作用長にわたる蓄積された位相不一致が、光モード間および不一致フォノンモード間のクロストークにどのように影響するか？
• RQ3 パルス帯域幅および波形が、多波長ブリュアントン記録におけるクロストークに及ぼす影響はどの程度か？
• RQ4 複数の波長チャネルを並列処理する際、記録された光情報の整合性が保持されるか？
• RQ5 周波数的および空間的重複がある場合でも、フォノンモードは独立した実体のままであるか、それとも実効的な結合が生じるか？

主な発見

• 音響フォノンがわずか1 MHzの間隔で重なっても、帯域幅が重複しているにもかかわらず、光波長チャネル間のクロストークは無視できるほど小さい。
• 10 GHzの光パルスでは、20 GHzのチャネル間隔で十分に低いクロストークを維持でき、間隔が広がるに従いクロストークは急激に減少する。
• 1 GHz以下のパルス帯域幅ではクロストークが顕著に低下し、1–2 GHzの非常に近いチャネル間隔でも干渉が最小限に抑えられる。
• すべての波長チャネルにおいて、記録された光信号の整合性が保持され、リトリーブ忠実度に顕著な劣化は観察されない。
• 理論的モデルにより、相互作用長にわたる位相蓄積が不一致フォノンモードへの結合を抑制することを確認し、観測されたクロストーク抑制を説明できる。
• 周波数的および空間的重複がある状況下でも、フォノンモードは独立した実体のままであり、波導系における基本的かつ非縮退的な存在であることが示された。