[论文解读] 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 8

一句话总结

本文提出一种通用方法，用于计算轴向周期性波导中的受激布里渊散射（SBS）增益系数，表明由于群速度降低，SBS非线性在布里渊区边界处显著增强。研究揭示，横向平面对称性决定了激发规则：在前向SBS中，偶模被激发；而在反向SBS中，增益在q=0处发散或饱和，具体取决于对称性。

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 $q=0$.

研究动机与目标

• 开发一种用于计算轴向周期性波导中SBS增益的通用理论框架。
• 研究周期结构中的慢光效应如何增强SBS非线性。
• 分析空间对称性在决定前向和反向SBS可激发弹性模中的作用。
• 量化硅周期波导中SBS增益对波矢、对称性和材料参数的依赖关系。
• 比较电致收缩力和辐射压力对驱动SBS的光学力的贡献。

提出的方法

• 利用耦合模理论，提出一种通用方法，用于计算轴向周期性波导中的SBS增益系数。
• 推导在泵浦-斯托克斯干涉条件下光学力的时谐麦克斯韦应力张量（MST），并分离出电致收缩力和辐射压力的贡献。
• 利用介电界面处的边界条件，将辐射压力表示为法向和切向电场分量的函数。
• 将该方法应用于空气悬空的硅周期波导，数值计算光学力分布和SBS增益。
• 通过分析模式关于横向平面x=0的对称性（偶/奇），评估前向和反向SBS增益。
• 特别关注品质因数Q和波矢失配Δk对增益的影响，尤其是在布里渊区边界（k=π/a）处。

实验结果

研究问题

• RQ1 波导中的轴向周期性与均匀波导相比，如何影响SBS增益系数？
• RQ2 在布里渊区边界处群速度降低在增强SBS非线性中的作用是什么？
• RQ3 关于横向平面的弹性模对称性如何影响其在前向和反向SBS中的激发？
• RQ4 电致收缩力和辐射压力在SBS中的光学力贡献分别是什么？
• RQ5 在周期波导中，SBS增益如何随波矢失配和品质因数变化？

主要发现

• 由于群速度降低，SBS非线性在布里渊区边界处显著增强，导致SBS增益出现O(1/Δk²)量级的发散。
• 在前向SBS中，仅关于对称平面x=0为偶对称的弹性模可被激发，这是由于力的对称性所致。
• 在反向SBS中，偶对称模的SBS增益在q=0处以O(1/Δk²)量级发散，而奇对称模趋近于有限常数。
• 电致收缩力和辐射压力对光学力的贡献是相加的，其中辐射压力垂直于界面，且其对称性取决于模态类型。
• 在布里渊区边界处，前向SBS增益最高可达均匀波导的1000倍，且增益与Δk²成反比。
• 该方法成功预测：在反向SBS中，模式E2在布里渊区边界处表现出发散增益，而模式E3趋于饱和，证实了对称性依赖的行为。