Lydbølger bryter lysoverføringens gjensidighet

Vanligvis overfører lys det samme i begge retninger: hvis jeg kan se deg, kan du se meg. Nå har imidlertid forskere laget en enhet som bruker vandrende lydbølger for å bryte denne symmetrien, og dermed redusere uønskede optiske fenomener som tilbakespredning. Den nye enheten er den første som produserer denne fordelaktige effekten for selektive optiske virvler, som brukes i optisk kommunikasjon, og den kan også ha applikasjoner for optiske pinsett og virvelbaserte lasere.

Virvler er allestedsnærværende i naturen – for eksempel i gasser, væsker, plasma og DNA. I optiske virvler spiraler bølgefronten til en lysstråle rundt strålens sentrale forplantningsakse, og antar en spiralformet form med null intensitet i kjernen. Denne spiraleffekten oppstår fordi lys bærer orbital vinkelmoment (OAM). Denne formen for vinkelmoment er forskjellig fra det mer kjente spinn-vinkelmomentet, som manifesterer seg i polarisering, og ble først oppdaget i 1992.

Fordi informasjon kan kodes i OAM, viser optiske virvler mye løfte for multipleksing, som er prosessen med å sende flere optiske signaler ned en enkelt fiber med minimal interferens eller andre skadelige effekter. Foreløpig har det imidlertid vært utfordrende å lage enheter der visse vortex-modeller bare forplanter seg i én retning. Dette skyldes et grunnleggende prinsipp for optikk kjent som gjensidighet, som innebærer at lyssignaler vil forplante seg fritt i begge retninger gjennom en optisk fiber. Slik toveistrafikk kan forårsake problemer som tilbakespredning som reduserer styrken til det overførte signalet.

Lydbølger manipulerer optiske bølger

Et lag ledet av Xinglin Zeng, Philip Russel og Birgit Stiller av Max Planck Institute for the Science of Light har nå brukt forplantende lydbølger for å bryte denne lystransmisjonens gjensidighet for utvalgte virvelmodeller. I sitt arbeid brukte de lydbølgene til å manipulere optiske bølger i en kiral fotonisk krystallfiber via en interaksjon kjent som topologi-selektiv stimulert Brillouin-Mandelstam-spredning. Forskerne forklarer at når lydbølgene beveger seg i én retning, muliggjør de naturlig ikke-gjensidig oppførsel for den optoakustiske interaksjonen. På denne måten kan OAM-modus enten undertrykkes eller forsterkes sterkt, og forhindrer tilfeldig tilbakespredning og minimerer dermed signalforringelse.

Stiller og kolleger rapporterer at deres nye enhet kan rekonfigureres som en forsterker eller som en optisk virvelisolator ved å justere frekvensen til kontrollsignalet. Faktisk demonstrerte de en virvelisolasjon på 22 desibel, som kan sammenlignes godt med de beste fundamentale modusisolatorene som bruker stimulert Brillouin-Mandelstam-spredning.

Forskere finner "tapt" vinkelmomentum

I følge Stiller inkluderer potensielle bruksområder for enheten OAM-baserte kvantekommunikasjons- og sammenfiltringsordninger samt klassisk optisk kommunikasjon som bruker OAM-moduser (både grunnleggende og høyere orden) for å øke kapasiteten til kommunikasjonskanalene. "Muligheten for selektiv manipulering av virvelmoduser av lys- og lydbølger [er] et veldig fascinerende konsept," sier Stiller.

Forskerne, som beskriver arbeidet sitt i Vitenskap Fremskritt, planlegger nå å studere mer eksotiske lydbølger som har uvanlige strukturer. "Vi ønsker å se hvordan disse bølgene interagerer med lys i kirale optiske fibre," forteller Stiller Fysikkens verden.

• SEO-drevet innhold og PR-distribusjon. Bli forsterket i dag.
• Platoblokkkjede. Web3 Metaverse Intelligence. Kunnskap forsterket. Tilgang her.
• kilde: https://physicsworld.com/a/sound-waves-break-light-transmission-reciprocity/