[论文解读] Adiabatic frequency conversion: it is all about group velocity

Jacob B. Khurgin, Nathaniel Kinsey|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2019

Photonic and Optical Devices被引用 4

一句话总结

本文表明，通过群速度减小引起的慢光效应，介电常数接近零（ENZ）材料中的绝热频率转换可实现高效率，从而在比传统方法更低的泵浦强度和更短的相互作用长度下实现高效频率转换，且无需复杂的纳米加工。

ABSTRACT

We investigate adiabatic frequency conversion using epsilon near zero (ENZ) materials and show that while the maximum frequency conversion for a given change of permittivity does not exhibit increase in the vicinity of {\epsilon}=0 condition. However, that change can be achieved in a shorter length, and if the pump is also in the ENZ vicinity, at a lower pump intensity. This slow propagation effect makes the conversion efficiency in the ENZ material comparable to that in microresonators and other structured slow light schemes, but unlike the latter no nanofabrication is required for ENZ materials which constitutes their major advantage over alternative frequency conversion approaches.

研究动机与目标

• 研究介电常数接近零（ENZ）材料中的绝热频率转换。
• 确定ENZ条件是否增强频率转换效率。
• 比较ENZ材料与微腔及其他慢光方案的转换效率。
• 评估群速度在实现低泵浦强度和更短相互作用长度下的高效转换中的作用。

提出的方法

• 该研究通过介电常数趋近于零的ENZ材料建模绝热频率转换。
• 分析在ENZ条件下群速度减小对转换效率的影响。
• 比较ENZ材料与微腔及其他慢光结构的转换效率。
• 评估在ENZ区域实现高效频率转换所需的泵浦强度和相互作用长度。
• 在ENZ环境中同时考虑信号场和泵浦场，以评估强度缩放关系。
• 关键方程涉及ENZ材料中的绝热条件和群速度色散，以确定转换动力学。

实验结果

研究问题

• RQ1 在介电常数接近零（ENZ）条件下，绝热频率转换效率是否提高？
• RQ2 ENZ条件是否能减少高效频率转换所需的相互作用长度？
• RQ3 与传统方法相比，ENZ区域是否允许更低的泵浦强度？
• RQ4 ENZ材料中群速度减小如何影响转换效率？
• RQ5 与基于微腔的方案相比，基于ENZ的频率转换在效率和加工要求方面有何差异？

主要发现

• ENZ材料中的绝热频率转换效率与微腔及其他慢光结构相当。
• 由于群速度降低，ENZ条件可在更低的泵浦强度下实现高效转换。
• 由于ENZ材料中的慢光效应，可在更短的相互作用长度内实现转换。
• 在介电常数ε=0时，最大频率转换效率并未增加，但所需长度和泵浦功率均减少。
• ENZ材料在无需纳米加工的情况下实现高效率，相较于基于谐振器的方法具有显著优势。
• ENZ材料中群速度的降低是实现高效绝热频率转换的主要机制。