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Multiphysik-Modellierung für ein besseres Verständnis der optomechanischen Brillouin-Interaktion

Forscher der Universität von Campinas und von Corning verwenden Elektromagnetik- und Festkörpermechanik-Analysen, um eine ungewöhnliche Kopplung zu untersuchen: wie Photoelastik und Effekte beweglicher Ränder zusammenwirken, um die Brillouin-Streuung in Wellenleitern, optischen Fasern und anderen nanophotonischen Strukturen zu verstärken oder zu unterdrücken.

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Von Brianne Christopher
Dezember 2019

Optische Wellenleiter haben sich seit den 1970er Jahren stark verändert. Sie waren damals größer, und Wissenschaftler hatten gerade entdeckt, dass insbesondere bei optischen Fasern photoelastische Effekte eine wichtige Rolle spielen. Mit der Einführung des Bereichs der Optomechanik mussten auch die beweglichen Ränder der Wellenleiter berücksichtigt werden. Die Forscher erkannten, dass es ein komplexes Zusammenspiel zwischen beiden Effekten gibt, das optimiert werden kann, um die Brillouin-Streuung in einem Design entweder zu verstärken oder zu verringern. Brillouin-Streuung ist die Wechselwirkung zwischen Licht und den Materialwellen in einem Medium, benannt nach Léon Brillouin. Eine Forschungsgruppe der Universität von Campinas und Cornings hat diesen gekoppelten Effekt mithilfe von Multiphysik-Simulationen untersucht und herausgefunden, wie er zur Optimierung nanophotonischer Strukturen genutzt werden kann.

Zwei Effekte

Die optomechanische Brillouin-Interaktion beinhaltet eine Kopplung zwischen zwei Effekten. Erstens gibt es den Effekt der beweglichen Ränder, bei dem nur die Ränder oder die Geometrie des Geräts berücksichtigt werden. Im Allgemeinen kommt der Effekt der beweglichen Ränder zum Tragen, wenn zum Beispiel ein Wellenleiter dünner gemacht wird. Der photoelastische Effekt hingegen berücksichtigt die beteiligten Materialien. Hier wird der Brechungsindex des Wellenleiters durch die elastische Dehnung des Materials verändert.

Stellen Sie sich eine sich verjüngende optische Faser vor. Jedes Mal, wenn Sie die Geometrie stören, wirkt sich dies auf die optomechanische Brillouin-Streuung aus, die im Design auftritt. Dies ist der Effekt der beweglichen Ränder. Der Der photoelastische Effekt berücksichtigt die Materialien, aus denen die Faser besteht, was sich ebenfalls auf die Interaktion auswirkt.

Verstärken oder unterdrücken

Wenn Sie die Brillouin-Streuung in einem optomechanischen Design berücksichtigen, wollen Sie den Effekt oft entweder verstärken oder unterdrücken. In einer normalen Glasfaser ist stellt die Brillouin-Streuung beispielsweise eine Beeinträchtigung in Kommunikationssystemen dar, die dazu führt, dass viel Licht nach hinten gestreut wird, anstatt sich vorwärts auszubreiten. Dies kann dazu führen, dass wenig oder gar kein Licht von der Eingabequelle durch die Faser gelangt. Beispiele, bei denen dies eine wichtige Designüberlegung ist, sind herkömmliche Glasfasern und Beschleunigungsmesser (Abbildung 1).

Wann würden Sie also Brillouin-Streuungseffekte verstärken wollen? Zum Beispiel bei integrierten Wellenleitern. Beispielsweise können Sie die mechanischen Wechselwirkungen in diesen Wellenleitern manipulieren, um einen Laser mit geringer Bandbreite zu erzeugen, oder die Brillouin-Streuung nutzen, um Frequenzen und Wellenlängenkanäle für einen außergewöhnlich präzisen Filter zu definieren.

Am Photonics Research Center der Universität von Campinas und der Corning Research & Development Corporation wollten die Professoren Gustavo Wiederhecker, Paulo Dainese und Thiago Alegre die Kopplung zwischen Rändern und Materialien verstehen, die die optomechanische Brillouin-Interaktion verursacht. Eines ihrer Hauptziele war es, die Kopplung des photoelastischen Effekts und des Effekts der beweglichen Ränder in nanophotonischen Strukturen zu verstehen, um effektivere (oder in manchen Fällen ineffektive) Kopplungen zu schaffen, je nachdem, ob das Bauelement eine verstärkte oder unterdrückte Brillouin-Streuung erfordert.

Multiphysik-Simulation der Brillouin-Optomechanik

Wie hat das Team der Universität von Campinas ein tieferes Verständnis dieses komplexen Zusammenspiels erlangt? Zum einen durch den Einsatz von Multiphysik-Simulationen. Das Team verwendete die Software COMSOL Multiphysics®, um die Kopplung von photoelastischen Effekten und Effekten an beweglichen Rändern sowie die daraus resultierende Brillouin-Streuung in nanophotonischen Strukturen zu modellieren. Sie begannen mit 2D-Simulationen, die sowohl einfach zu simulieren sind als auch gute Beobachtungsbeispiele darstellen. „2D-Modelle sind sehr schnell zu lösen“, sagt Alegre. Sie begannen mit einfachen Beispielen, wie einem einzelnen Siliziumdioxid-Stab, und integrierten sowohl die Elektromagnetik als auch die Festkörpermechanik in ihre Analysen - bis sie schließlich zu vollständig integrierten nanophotonischen Strukturen übergingen (Abbildung 2). Das Team nutzte dann seine Simulationsergebnisse, um die Überlappungsintegrale zwischen optischen und mechanischen Feldern zu berechnen, einen der wichtigsten Aspekte der Brillouin-Streuung. „Sobald man Zugang zu diesen Integralen hat, kann man optomechanische Integranden verstehen und darstellen, was sehr hilfreich ist“, sagt Alegre. „COMSOL Multiphysics® ist eines der wenigen Softwareprodukte, die uns diese Art von Analyse ermöglichen.“

Das Team der Universität Campinas fand einige Features der COMSOL® Software besonders nützlich, allen voran die Multiphysik-Funktionen. Das Lösen von photoelastischen Effekten und Effekten mit beweglichen Rändern in derselben Studie macht es einfach, sie zu integrieren, anstatt eine Physik berechnen, die Ergebnisse exportieren und dann zurückgehen und eine andere Physik berechnen zu müssen.

Ein weiteres hilfreiches Werkzeug ist die Benutzeroberfläche an sich. „Die Benutzeroberfläche von COMSOL® ist sehr angenehm zu nutzen“, sagt Alegre und fügt hinzu, dass sie nach der Ausführung einer Simulation „sofort den relevanten Kopplungskoeffizienten direkt auf der Benutzeroberfläche haben.“ Dem Team gefällt auch, dass die Features für das Postprocessing direkt verfügbar sind. „Bei jeder anderen Software müssen Sie den Postprocessing-Code zusammen mit all den Integralen schreiben“, sagt Alegre. Bei COMSOL Multiphysics hingegen ist das Postprocessing Teil des Modellierungsworkflows.

Zukünftige Forschung

Für die zukünftige Forschung plant das Team der Universität Campinas, die Auswirkungen verschiedener Materialien auf die optomechanische Kopplung zu erforschen sowie die hybride Integration von Materialien in die Nanophotonik zu untersuchen. Sie planen auch, verschiedene Geometrien für die Entwicklung besserer Wellenleiter zu prüfen, um gute Kandidaten für Bauelemente mit Brillouin-Streuung zu finden.

Da ihre Forschung an einer akademischen Einrichtung angesiedelt ist, denkt das Team auch darüber nach, wie es die nächste Generation von Nanophotonik-Forschern, nämlich ihre Studenten, inspirieren und einbeziehen kann. Zu diesem Zweck hat das Team ein Datenarchiv für sein Brillouin-Streuungsprojekt „Brillouin optomechanics in nanophonic structures“, APL Photonics 4, 071101 (2019), eingerichtet. Das Verzeichnis enthält ihre Modelle und Codes, mit denen die Studenten die Geometrie eines Wellenleiters oder Resonators verändern können. Indem sie die optomechanische Brillouin-Interaktion in Echtzeit sehen, können die Studenten möglicherweise selbst einige brillante Ideen entwickeln.