Schallwellen brechen die Reziprozität der Lichtübertragung

Normalerweise überträgt Licht in beide Richtungen dasselbe: Wenn ich dich sehen kann, kannst du mich sehen. Jetzt haben Forscher jedoch ein Gerät entwickelt, das diese Symmetrie mit fortschreitenden Schallwellen bricht und so unerwünschte optische Phänomene wie Rückstreuung reduziert. Das neue Gerät ist das erste, das diesen vorteilhaften Effekt für selektive optische Wirbel erzeugt, die in der optischen Kommunikation verwendet werden, und es könnte auch Anwendungen für optische Pinzetten und Wirbel-basierte Laser haben.

Wirbel sind in der Natur allgegenwärtig – zum Beispiel in Gasen, Flüssigkeiten, Plasma und DNA. Bei optischen Wirbeln windet sich die Wellenfront eines Lichtstrahls spiralförmig um die zentrale Ausbreitungsachse des Strahls und nimmt im Kern eine spiralförmige Form mit einer Intensität von null an. Dieser Spiraleffekt entsteht, weil Licht einen Orbitaldrehimpuls (OAM) trägt. Diese Form des Drehimpulses unterscheidet sich vom bekannteren Spin-Drehimpuls, der sich in Polarisation manifestiert, und wurde erst 1992 entdeckt.

Da Informationen in OAM codiert werden können, sind optische Wirbel viel versprechend für das Multiplexen, bei dem mehrere optische Signale mit minimaler Interferenz oder anderen nachteiligen Auswirkungen über eine einzige Faser gesendet werden. Bisher war es jedoch eine Herausforderung, Geräte herzustellen, bei denen sich bestimmte Vortex-Modelle nur in eine Richtung ausbreiten. Dies liegt an einem Grundprinzip der Optik, das als Reziprozität bekannt ist, was impliziert, dass sich Lichtsignale frei in beide Richtungen durch eine optische Faser ausbreiten. Ein derartiger Verkehr in beide Richtungen kann Probleme wie Rückstreuung verursachen, die die Stärke des übertragenen Signals verringern.

Schallwellen manipulieren optische Wellen

Ein Team unter der Leitung von Xinglin Zeng, Philipp Russel und Birgit Stiller dauert ebenfalls 3 Jahre. Das erste Jahr ist das sog. Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts hat nun sich ausbreitende Schallwellen verwendet, um diese Reziprozität der Lichtübertragung für ausgewählte Vortex-Modelle zu brechen. In ihrer Arbeit nutzten sie die Schallwellen, um optische Wellen in einer chiralen photonischen Kristallfaser über eine Wechselwirkung zu manipulieren, die als topologieselektive stimulierte Brillouin-Mandelstam-Streuung bekannt ist. Die Forscher erklären, dass die Schallwellen, wenn sie sich in eine Richtung ausbreiten, auf natürliche Weise ein nicht reziprokes Verhalten für die optoakustische Wechselwirkung ermöglichen. Auf diese Weise können OAM-Moden entweder stark unterdrückt oder verstärkt werden, wodurch eine zufällige Rückstreuung verhindert und somit eine Signalverschlechterung minimiert wird.

Stiller und Kollegen berichten, dass ihr neues Gerät als Verstärker oder als optischer Wirbelisolator umkonfiguriert werden kann, indem die Frequenz des Steuersignals angepasst wird. Tatsächlich zeigten sie eine Wirbelisolation von 22 Dezibel, was im Vergleich zu den besten Grundmodenisolatoren, die stimulierte Brillouin-Mandelstam-Streuung verwenden, gut abschneidet.

Forscher finden "verlorenen" Drehimpuls

Laut Stiller gehören zu den potenziellen Anwendungen des Geräts OAM-basierte Quantenkommunikation und Verschränkungsschemata sowie klassische optische Kommunikation, die OAM-Modi (sowohl grundlegende als auch höhere Ordnung) verwenden, um die Kapazität der Kommunikationskanäle zu erhöhen. „Die Möglichkeit der selektiven Manipulation von Wirbelmoden durch Licht- und Schallwellen [ist] ein sehr faszinierendes Konzept“, sagt Stiller.

Die Forscher, die ihre Arbeit im Detail beschreiben Wissenschaft Fortschritte, planen nun, exotischere Schallwellen mit ungewöhnlichen Strukturen zu untersuchen. „Wir wollen sehen, wie diese Wellen mit Licht in chiralen optischen Fasern interagieren“, sagt Stiller Physik-Welt.

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• Quelle: https://physicsworld.com/a/sound-waves-break-light-transmission-reciprocity/