[论文解读] 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 3

一句话总结

本文通过利用相互作用长度上的累积相位失配，在基于布里渊的系统中实现了无串扰的相干多波长光存储，实现了在25–100 GHz间隔下同时存储光学脉冲，即使声学声子在频率上重叠，串扰也极低。该方法保持了相干性，并允许按波长通道选择性读出，从而在光学存储和信号处理应用中实现高密度波分复用。

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.

研究动机与目标

• 解决在光学频率紧密间隔时，由于声学声子在频率上重叠而引起的多波长布里渊基光存储中的串扰问题。
• 证明在脉冲相互作用长度上累积的相位失配可抑制不同光学波长通道之间的串扰。
• 通过实验和理论验证，即使在光谱和空间重叠的情况下，相干信息仍可独立存储和检索于不同的声子模式中。
• 在布里渊存储系统中实现高密度波分复用，而不会造成信号退化或通道间干扰。

提出的方法

• 利用受激布里渊散射（SBS）将光学脉冲相干地转移到波导中的行进声学声子上。
• 采用在脉冲空间长度上累积的相位匹配条件，抑制与失配声子模式的耦合。
• 使用带宽可控（500 MHz 至 10 GHz）和可变通道间隔（25–100 GHz）的光学脉冲，以探测串扰行为。
• 采用高斯和矩形脉冲形状，分析串扰对脉 tempor al 形状的依赖性。
• 通过双波长输入脉冲进行实验验证，并测量读出保真度和串扰水平。
• 基于三波相互作用动力学建立理论模型，解释通过相位累积实现串扰抑制的机理。

实验结果

研究问题

• RQ1 即使其对应的声学声子在频率上重叠，是否仍可在基于布里渊的系统中无串扰地相干存储多个光学波长通道？
• RQ2 在相互作用长度上累积的相位失配如何影响光学模式与失配声子模式之间的串扰？
• RQ3 脉冲带宽和形状在多波长布里渊存储中的串扰中起多大作用？
• RQ4 当多个波长通道并行处理时，存储的光学信息相干性是否能够保持？
• RQ5 当声子模式在光谱和空间上重叠时，它们是否仍保持为独立的实体，还是存在有效耦合？

主要发现

• 即使声子频率间隔仅为1 MHz，光学波长通道之间的串扰也极低，尽管其线宽重叠。
• 对于10 GHz带宽的光学脉冲，20 GHz的通道间隔已足够维持低串扰，且随着间隔增大，串扰迅速下降。
• 当脉冲带宽为1 GHz或更小时，串扰显著降低，使得通道间隔可接近1–2 GHz而干扰极小。
• 所有波长通道中存储的光学信号的相干性均得以保持，读出保真度无明显退化。
• 理论建模证实，沿相互作用长度累积的相位可抑制与失配声子模式的耦合，从而解释了观测到的串扰抑制现象。
• 即使在光谱和空间上重叠，声子模式仍保持为独立实体，表明其在波导系统中为基本的非简并实体。