[論文レビュー] Stimulated brillouin scattering in slow light waveguides

Wenjun Qiu, Peter T. Rakich+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2012

Quantum optics and atomic interactions被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、軸方向に周期的な波ガイドにおける強誘起ブリルーリング散乱（SBS）利得係数を計算する一般化された手法を提示している。SBS非線形性は、群速度が低下することでブリルーリング帯域端で顕著に増幅されることを示している。研究では、横断面における対称性が励起則を規定することを明らかにした：前方SBSでは偶数モードが励起され、逆方向SBSではq=0におけるSBS利得が発散または飽和する。

ABSTRACT

We develop a general method of calculating Stimulated Brillouin Scattering (SBS) gain coefficient in axially periodic waveguides. Applying this method to a silicon periodic waveguide suspended in air, we demonstrate that SBS nonlinearity can be dramatically enhanced at the brillouin zone boundary where the decreased group velocity of light magnifies photon-phonon interaction. In addition, we show that the symmetry plane perpendicular to the propagation axis plays an important role in both forward and backward SBS processes. In forward SBS, only elastic modes which are even about this plane are excitable. In backward SBS, the SBS gain coefficients of elastic modes approach to either infinity or constants, depending on their symmetry about this plane at $q=0$.

研究の動機と目的

• 軸方向に周期的な波ガイドにおけるSBS利得を計算する一般理論的枠組みを構築すること。
• 周期的構造における遅い光効果がSBS非線形性をどのように増幅するかを調査すること。
• 前方および逆方向SBSにおける励起可能な弾性モードを決定づける空間的対称性の役割を分析すること。
• シリコン周期的波ガイドにおけるSBS利得が波数、対称性、材料パラメータにどのように依存するかを定量すること。
• SBSを駆動する光学的力に寄与する電磁歪み力と放射圧の相対的寄与を比較すること。

提案手法

• 結合モード理論を用いて、軸方向に周期的な波ガイドにおけるSBS利得係数を計算する一般化手法を構築する。
• ポンプ-ストーク干渉下における時間調和マクスウェル応力テンソル（MST）を導出し、電磁歪み力と放射圧の寄与を分離する。
• 屈折率界面における境界条件を用いて、放射圧を法線および接線成分の電場成分で表現する。
• 空気中に浮遊するシリコン周期的波ガイドにこの手法を適用し、光学的力分布およびSBS利得を数値的に計算する。
• 横断面x=0におけるモード対称性（偶数／奇数）を分析することで、前方および逆方向SBS利得を評価する。
• 特にブリルーリング帯域端（k=π/a）における品質因子Qおよび波数不一致Δkとの関係を評価し、利得のスケーリングを検討する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 波ガイドにおける軸方向の周期性は、均一な波ガイドと比較してSBS利得係数にどのように影響するか？
• RQ2 ブリルーリング帯域端における群速度の低下が、SBS非線形性の増幅に果たす役割は何か？
• RQ3 横断面における弾性モードの対称性は、前方および逆方向SBSにおける励起にどのように影響するか？
• RQ4 SBSにおける光学的力に寄与する電磁歪み力と放射圧の相対的寄与は何か？
• RQ5 周期的波ガイドにおけるSBS利得は、波数不一致および品質因子にどのように依存するか？

主な発見

• 群速度の低下により、ブリルーリング帯域端におけるSBS非線形性が顕著に増幅され、SBS利得がO(1/Δk²)の発散を示す。
• 前方SBSでは、力の対称性により、横断面の対称面x=0に関して偶数対称であるモードのみが励起可能である。
• 逆方向SBSでは、q=0における偶数対称モードのSBS利得がO(1/Δk²)で発散するが、奇数対称モードは有限の定数に近づく。
• 電磁歪み力と放射圧は光学的力に加法的に寄与し、放射圧は界面に垂直であり、モードの種別に応じて対称的または反対称的である。
• 前方SBS利得は、帯域端において均一な波ガイドと比較して最大1000倍まで向上し、利得はΔk²に反比例してスケーリングする。
• 本手法は、逆方向SBSにおけるモードE2が帯域端で発散的利得を示すことを正確に予測しており、モードE3は飽和することを確認した。これにより、対称性依存の挙動が裏付けられた。