Modellare l’interazione optomeccanica di Brillouin
Brianne Christopher
Le guide d’onda ottiche sono cambiate molto dagli anni Settanta. Allora le guide d’onda erano più grandi e gli scienziati avevano appena scoperto che, soprattutto per le fibre ottiche, gli effetti fotoelastici avevano un ruolo di rilievo nel progetto. Con la nascita dell’optomeccanica, si è reso necessario considerare anche la deformazione dei contorni delle guide d’onda. I ricercatori si sono resi conto che esisteva una complessa interazione tra i due effetti che poteva essere modificata per amplificare o attenuare gli effetti dello scattering di Brillouin in un progetto. Lo scattering di Brillouin è l’interazione tra la luce e le onde meccaniche in un mezzo e prende il nome da Léon Brillouin. Un gruppo di ricerca dell’Università di Campinas e Corning ha utilizzato la simulazione multifisica per studiare questo effetto accoppiato e il suo utilizzo per ottimizzare le strutture nanofotoniche.
Storia di due effetti
L’interazione optomeccanica di Brillouin comporta un accoppiamento tra due effetti. In primo luogo, c’è l’effetto della deformazione dei contorni, in cui si considera solo la geometria del dispositivo. In generale, l’effetto della deformazione dei contorni entra in gioco, per esempio, quando si realizza una guida d’onda più sottile. L’effetto fotoelastico, invece, interessa i materiali coinvolti. Qui, è l’indice di rifrazione nella guida d’onda che viene modificato a causa della deformazione elastica del materiale. Si pensi alla progettazione di una fibra ottica rastremata (tapered): ogni volta che si modifica la geometria, si produce un effetto sullo scattering optomeccanico di Brillouin. Questo è l’effetto della deformazione dei contorni. L’effetto fotoelastico considera i materiali di cui è fatta la fibra, un altro aspetto che influisce sull’interazione.
Figura 1. Un modello COMSOL Multiphysics® di scattering di Brillouin in una struttura nanofonica, che comprende una fibra conica (a sinistra), una guida d’onda integrata (al centro) e una cavità bulls-eye (a destra).Amplificare o eliminare: questo è il problema
Quando si considera lo scattering di Brillouin in un progetto optomeccanico, spesso si vuole amplificare o eliminare il suo effetto. Per esempio, in una normale fibra ottica, lo scattering di Brillouin altera i sistemi di comunicazione provocando la dispersione di molta luce all’indietro invece della propagazione in avanti. Questo potrebbe significare che la luce viaggia poco o per niente dalla sua sorgente d’ingresso lungo la fibra. Questa è un’importante considerazione progettuale per esempio nel caso delle fibre regolari e degli accelerometri (Figura 1). Quindi, quando si desidera amplificare gli effetti dello scattering di Brillouin? Per esempio, nel caso delle guide d’onda integrate. Si possono manipolare le interazioni meccaniche in queste guide d’onda per creare un laser a banda stretta, o usare lo scattering di Brillouin per specificare le frequenze e i canali di lunghezza d’onda per un filtro particolarmente accurato. Presso il Centro di Ricerca sulla Fotonica della University of Campinas and Corning Research & Development Corporation, i professori Gustavo Wiederhecker, Paulo Dainese e Thiago Alegre hanno cercato di comprendere l’accoppiamento tra deformazione dei contorni e i cambiamenti delle proprietà dei materiali che causa l’interazione optomeccanica di Brillouin. Uno dei loro obiettivi principali era quello di comprendere l’accoppiamento tra l’effetto fotoelastico e l’effetto della deformazione dei contorni nelle strutture nanofotoniche per realizzare accoppiamenti più efficaci (o, in alcuni casi, meno efficaci), a seconda che il dispositivo richieda di amplificare o di eliminare lo scattering di Brillouin.
Simulazione multifisica dell’optomeccanica di Brillouin
Come ha fatto il team dell’Università di Campinas ad acquisire una comprensione più profonda di questa complessa interazione? Un metodo consiste nell’utilizzo della simulazione multifisica. Il team si è affidato al software COMSOL Multiphysics® per modellare l’accoppiamento di effetti fotoelastici ed effetti della deformazione dei contorni della fibra, e il conseguente scattering di Brillouin, in strutture nanofotoniche. Hanno iniziato con simulazioni 2D, che da un lato sono semplici da realizzare e dall’altro costituiscono buoni esempi per l’osservazione. “I modelli 2D sono molto veloci da risolvere”, racconta Alegre. Hanno iniziato con esempi semplici, come un singolo rod di silice, e hanno integrato sia l’elettromagnetismo che la meccanica dei solidi nelle loro analisi, arrivando alla fine a costruire strutture nanofotoniche completamente integrate (Figura 2).
Il team ha poi utilizzato i risultati delle simulazioni per calcolare gli integrali di sovrapposizione tra campi ottici e meccanici, uno degli aspetti principali dello scattering di Brillouin. “Una volta ottenuti questi integrali, è possibile comprendere e tracciare integrandi optomeccanici, il che è molto utile”, continua Alegre. “COMSOL Multiphysics® è uno dei pochi software che ci danno accesso a questo tipo di analisi”. Il team dell’Università di Campinas ha trovato particolarmente utili alcune caratteristiche del software COMSOL®, la prima delle quali è la capacità multifisica. Trovare la soluzione sia per gli effetti fotoelastici che per gli effetti della deformazione dei contorni nello stesso studio rende semplice la loro integrazione, invece di dover risolvere per una fisica, esportare i risultati, tornare indietro e risolvere per l’altra, e così via. Un altro strumento utile è l’interfaccia utente (UI) in generale. “Usare l’interfaccia in COMSOL® è molto piacevole”, commenta Alegre, e aggiunge che, dopo aver eseguito una simulazione, “disponiamo subito del relativo coefficiente di accoppiamento proprio nell’interfaccia utente”. Il team apprezza anche il fatto che le funzioni di post-processing siano disponibili direttamente nell’interfaccia utente. “Con qualsiasi altro software, è necessario scrivere il codice di post-processing insieme a tutti gli integrali”, spiega Alegre. COMSOL Multiphysics, invece, include il post-processing come parte del flusso di lavoro di modellazione.
Guidare la luce verso la ricerca futura
Tra le future direzioni di ricerca, il team dell’Università di Campinas ha in programma di esplorare l’effetto dei diversi materiali sull’accoppiamento optomeccanico, nonché di esaminare l’integrazione ibrida dei materiali nella nanofotonica. Intendono indagare anche le diverse geometrie per la progettazione di migliori guide d’onda, alla ricerca di buoni candidati per i dispositivi di scattering di Brillouin.
Inoltre, poiché la base della loro ricerca è un’istituzione accademica, il team sta anche pensando a come ispirare e coinvolgere la prossima generazione di ricercatori di nanofotonica, ovvero gli studenti. A questo scopo, il team ha creato un archivio dati affiancato al progetto sullo scattering di Brillouin, “L’optomeccanica Brillouin nelle strutture nanofoniche”, APL Photonics 4, 071101 (2019). L’archivio include i loro modelli e codici, che gli studenti possono utilizzare per modificare la geometria di una guida d’onda o di una cavità. Con l’interazione optomeccanica di Brillouin sotto gli occhi, in tempo reale, gli studenti hanno la possibilità di sviluppare nuove, brillanti idee per conto proprio.