[논문 리뷰] Crosstalk-free multi-wavelength coherent light storage via Brillouin interaction

Birgit Stiller, Moritz Merklein외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 23.

Mechanical and Optical Resonators참고 문헌 24인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 상호작용 길이에 걸쳐 누적된 위상 불일치를 활용하여 브릴루아인 기반 시스템에서 교란 없이 일관된 다중 파장 빛 저장을 구현한다. 이로 인해 25–100 GHz 간격의 광 펄스를 동시에 저장할 수 있으며, 음향 포논이 주파수에서 겹쳐져도 상호 간섭이 거의 없이 구현된다. 이 방법은 일관성을 유지하고 각 파장 채널에 대해 선택적 복구가 가능하게 하여 광 메모리 및 신호 처리 응용 분야에서 고밀도 파장 multiplexing 를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 밀도가 높은 광 주파수 간격에서 발생하는 음향 포논의 겹침으로 인해 다중 파장 브릴루아 기반 빛 저장에서 발생하는 상호 간섭 문제를 해결하기 위해.
• 펄스 상호작용 길이에 걸친 위상 불일치가 서로 다른 광 파장 채널 간의 상호 간섭을 억제할 수 있음을 보여주기 위해.
• 이론적 및 실험적으로 일관된 정보가 스펙트럼적 및 공간적 겹침이 있는 별개의 포논 모드에서 독립적으로 저장 및 복구될 수 있음을 검증하기 위해.
• 신호 품질 저하 또는 채널 간 간섭 없이 브릴루아 메모리 시스템에서 고밀도 파장 multiplexing 을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• 파동도에서 광 펄스를 연속적인 음향 포논으로 일관되게 전달하기 위해 자극된 브릴루아 산란(SBS)을 활용한다.
• 펄스의 공간 길이에 걸쳐 누적되는 위상 일치 조건을 적용하여 불일치하는 포논 모드로의 결합을 억제한다.
• 교란 행동을 조사하기 위해 제어된 대역폭(500 MHz에서 10 GHz)과 가변적인 채널 간격(25–100 GHz)을 갖는 광 펄스를 사용한다.
• 교란에 대한 펄스 시간 프로파일 의존성을 분석하기 위해 가우시안 및 직사각형 펄스 형상을 사용한다.
• 이중 파장 입력 펄스를 사용하여 실험적 검증을 수행하고 복구 품질 및 교란 수준을 측정한다.
• 교란 억제 원리를 설명하기 위해 삼파동 상호작용 역학 기반 이론 모델을 수립한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 음향 포논이 주파수에서 겹쳐져도, 브릴루아 기반 시스템에서 서로 다른 광 파장 채널을 교란 없이 일관성 있게 저장할 수 있는가?
• RQ2 상호작용 길이에 걸쳐 누적된 위상 불일치가 광 모드 간 및 불일치하는 포논 모드 간의 교란에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 펄스 대역폭과 형상은 다중 파장 브릴루아 저장에서 교란에 어떤 정도의 영향을 미치는가?
• RQ4 다양한 파장 채널을 동시에 처리할 경우 저장된 광 정보의 일관성이 유지되는가?
• RQ5 스펙트럼적 및 공간적 겹침이 있을 때 포논 모드는 여전히 독립적인 실체로 유지되는가, 아니면 효과적인 결합이 발생하는가?

주요 결과

• 음향 포논 간격이 단지 1 MHz 뿐이어도, 겹치는 선형폭이 있음에도 불구하고 광 파장 채널 간 교란은 거의 없이 유지된다.
• 10 GHz 광 펄스의 경우, 채널 간격이 20 GHz 이상이면 낮은 교란을 유지할 수 있으며, 간격이 증가할수록 교란이 급격히 감소한다.
• 1 GHz 이하의 펄스 대역폭에서는 교란이 크게 감소하여, 1–2 GHz 간격에서도 간섭이 최소화된 상태로 구현 가능하다.
• 모든 파장 채널에서 저장된 광 신호의 일관성이 유지되며, 복구 품질에 대해 측정 가능한 열화가 없다.
• 이론적 모델링은 상호작용 길이에 따른 위상 누적이 불일치하는 포논 모드로의 결합을 억제함으로써 관측된 교란 억제 현상을 설명함을 확인한다.
• 스펙트럼적 및 공간적 겹침이 있음에도 불구하고 포논 모드는 여전히 독립적인 실체로 유지되며, 파동도 시스템 내에서 기본적이고 비일치하는 실체임을 시사한다.