Lydbølger bryder lystransmissionens gensidighed

Normalt transmitterer lys det samme i begge retninger: hvis jeg kan se dig, kan du se mig. Nu har forskere imidlertid skabt en enhed, der bruger vandrende lydbølger til at bryde denne symmetri og derved reducere uønskede optiske fænomener såsom tilbagespredning. Den nye enhed er den første til at producere denne gavnlige effekt for selektive optiske hvirvler, som bruges i optisk kommunikation, og den kan også have applikationer til optiske pincet og hvirvelbaserede lasere.

Hvirvler er allestedsnærværende i naturen - for eksempel i gasser, væsker, plasma og DNA. I optiske hvirvler spiraler bølgefronten af ​​en lysstråle rundt om strålens centrale udbredelsesakse og antager en spiralformet form med nul intensitet i kernen. Denne spiraleffekt opstår, fordi lys bærer orbital vinkelmoment (OAM). Denne form for vinkelmomentum adskiller sig fra det mere velkendte spin vinkelmomentum, som manifesterer sig i polarisering og først blev opdaget i 1992.

Fordi information kan kodes i OAM, viser optiske hvirvler meget lovende for multipleksing, som er processen med at sende flere optiske signaler ned ad en enkelt fiber med minimal interferens eller andre skadelige virkninger. Endnu har det dog været udfordrende at lave enheder, hvor visse hvirvelmodeller kun forplanter sig i én retning. Dette skyldes et grundlæggende princip for optik kendt som reciprocitet, hvilket indebærer, at lyssignaler vil forplante sig frit i begge retninger gennem en optisk fiber. Sådan tovejstrafik kan forårsage problemer såsom tilbagespredning, der reducerer styrken af ​​det transmitterede signal.

Lydbølger manipulerer optiske bølger

Et hold ledet af Xinglin Zeng, Philip Russel , Birgit Stiller af Max Planck Institute for the Science of Light har nu brugt udbredende lydbølger til at bryde denne lystransmissions gensidighed for udvalgte hvirvelmodeller. I deres arbejde brugte de lydbølgerne til at manipulere optiske bølger i en chiral fotonisk krystalfiber via en interaktion kendt som topologi-selektiv stimuleret Brillouin-Mandelstam spredning. Forskerne forklarer, at når lydbølgerne bevæger sig i én retning, muliggør de naturligvis ikke-gensidig adfærd for den optoakustiske interaktion. På denne måde kan OAM-tilstande enten undertrykkes kraftigt eller forstærkes, hvilket forhindrer tilfældig tilbagespredning og dermed minimerer signalforringelsen.

Stiller og kolleger rapporterer, at deres nye enhed kan omkonfigureres som en forstærker eller som en optisk hvirvelisolator ved at justere frekvensen af ​​styresignalet. Faktisk demonstrerede de en hvirvelisolering på 22 decibel, hvilket kan sammenlignes godt med de bedste fundamentale isolatorer, der bruger stimuleret Brillouin-Mandelstam-spredning.

Forskere finder 'tabt' vinkelmomentum

Ifølge Stiller inkluderer potentielle anvendelser af enheden OAM-baserede kvantekommunikations- og sammenfiltringsordninger samt klassisk optisk kommunikation, der bruger OAM-tilstande (både grundlæggende og højere orden) til at øge kommunikationskanalernes kapacitet. "Muligheden for selektiv manipulation af hvirveltilstande af lys- og lydbølger [er] et meget fascinerende koncept," siger Stiller.

Forskerne, der detaljerer deres arbejde i Science Forskud, planlægger nu at studere mere eksotiske lydbølger, der har usædvanlige strukturer. "Vi ønsker at se, hvordan disse bølger interagerer med lys i chirale optiske fibre," fortæller Stiller Fysik verden.

• SEO Powered Content & PR Distribution. Bliv forstærket i dag.
• Platoblokkæde. Web3 Metaverse Intelligence. Viden forstærket. Adgang her.
• Kilde: https://physicsworld.com/a/sound-waves-break-light-transmission-reciprocity/