Ny teknik til at undertrykke lydbølger fra uorden for at forbedre optisk fiberkommunikation

Energitab på grund af spredning fra materialefejl er kendt for at sætte grænser for ydeevnen af ​​næsten alle teknologier, som vi anvender til kommunikation, timing, og navigation. I mikro-mekaniske gyroskoper og accelerometre, som dem, der normalt findes i mobiltelefoner i dag, mikrostrukturel lidelse påvirker måledrift og sensorens generelle nøjagtighed, analogt med hvordan en snavset violinstreng kan påvirke ens nydelse af smuk musik. I optiske fiberkommunikationssystemer, spredning fra materialefejl kan reducere datafideliteten over lange afstande og derved reducere den opnåelige båndbredde. Da der ikke kan opnås fejlfrie materialer, hvordan kan vi muligvis forbedre de grundlæggende teknologiske grænser, som uorden sætter?

Et forskningssamarbejde mellem University of Illinois i Urbana-Champaign, det nationale institut for standarder og teknologi, og University of Maryland har afsløret en ny teknik, hvorved spredning af lydbølger fra uorden i et materiale kan undertrykkes efter behov. Alt det her, kan simpelthen opnås ved at belyse med den passende farve af laserlys. Resultatet, som udgives i Naturkommunikation , kunne have en bred indflydelse på sensorer og kommunikationssystemer.

Gaurav Bahl, en adjunkt i mekanisk videnskab og teknik, og hans forskerhold har undersøgt lysets vekselvirkning med lyd i mikro-resonatorer i solid state. Dette nye resultat er kulminationen på en række eksperimenter, som hans team har gennemført i løbet af de sidste mange år, og et nyt videnskabeligt spørgsmål stillet det rigtige sted.

"Resonatorer kan betragtes som ekkokamre for lyd og lys, og kan være så enkle som mikrokugleformede glaskugler som dem, vi brugte i vores undersøgelse, "Forklarede Bahl." Vores forskningssamfund har længe forstået, at lys kan bruges til at skabe og forstærke lydbølger i resonatorer gennem en række forskellige optiske kræfter. De resonante ekkoer hjælper med at øge interaktionstiden mellem lyd, lys, og materiel uorden, gør disse subtile effekter meget nemmere at observere og kontrollere. Da interaktioner inden for resonatorer grundlæggende ikke er forskellige fra dem, der finder sted i noget andet system, disse kan være en virkelig kompakt platform til at udforske den underliggende fysik. "

Nøglen til at undertrykke spredning fra uorden er at fremkalde et misforhold i udbredelsen mellem den originale og spredte retning. Denne idé ligner, hvordan en elektrisk strøm foretrækker at strømme langs vejen med mindst modstand, eller hvordan vand foretrækker at strømme gennem et bredere rør frem for et indsnævret. For at undertrykke tilbagespredning af fremadgående lydbølger, man skal skabe en stor akustisk impedans i baglæns retning. Denne asymmetri for fremadgående og bagudrettede bølger betegnes som mediets chiralitet. De fleste solid-state systemer har ikke kirale egenskaber, men disse egenskaber kan induceres gennem magnetfelter eller gennem rum-tid variation af mediet.

"Et par år siden, vi opdagede, at kiralitet kan induceres for lys ved hjælp af et opto-mekanisk fænomen, hvor lys kobles sammen med udbredende lydbølger og gør mediet gennemsigtigt. Vores eksperimenter på det tidspunkt viste, at den inducerede optiske gennemsigtighed kun tillader lys at bevæge sig ensrettet, det er, det skaber en fortrinsvis lav optisk impedans i en retning, "Sagde Bahl." Det var dengang, vi mødte vores samarbejdspartner Jacob Taylor, en fysiker ved NIST, der stillede os et simpelt spørgsmål. Hvad sker der med lydbølgerne i et sådant system? "

"Vores teoretiske modellering forudsagde, at det at have et kiralt system til lydformidling kunne undertrykke enhver spredning, der måtte være forårsaget af uorden, "forklarede Taylor." Dette koncept opstod fra arbejde, vi har udført i de sidste par år med at undersøge topologisk beskyttelse af lys, hvor chiral udbredelse er en nøglefunktion til forbedring af enheders ydeevne. I første omgang var planen med Bahls team bare at vise en forskel mellem de fremadgående og bagudgående lydbølger, ved hjælp af en kølende effekt skabt af lys. Men systemet overraskede os med en endnu stærkere praktisk effekt end forventet."

Det enkle spørgsmål lancerede en ny flerårig forskningsindsats i en retning, der ikke tidligere er blevet undersøgt. Arbejder i tæt samarbejde, teamet opdagede, at Brillouin lysspredning, en specifik form for opto-mekanisk interaktion, kan også fremkalde kiralitet for lydbølger. Mellem de eksperimentelle værktøjer i Bahls laboratorium, og de teoretiske fremskridt i Taylors laboratorium, brikkerne i puslespillet var allerede på plads.

"Vi eksperimentelt forberedte et kiralt optomekanisk system ved at cirkulere et laserfelt i urets retning i en silicaglasresonator. Laserbølgelængden, eller farve, blev specielt indrettet til at fremkalde optisk dæmpning af kun lydbølger med uret. Dette skabte et stort uoverensstemmelse mellem akustisk impedans mellem udbredelsesretninger med og mod uret, " forklarede Seunghwi Kim, første forfatter til undersøgelsen. "Lydbølger, der spredte sig med uret, oplevede meget store tab på grund af den opto-mekaniske køleeffekt. Lydbølger, der bevægede sig mod uret, kunne bevæge sig frit. Overraskende nok kunne vi oplevede en enorm reduktion af spredningstab for lydbølger mod uret, da disse bølger ikke længere kunne spredes i urets retning! Med andre ord, selvom der var forstyrrelse i resonatoren, dens handling blev undertrykt."

Ligesom lyd er den primære metode til stemmekommunikation mellem mennesker, elektromagnetiske bølger som radio og lys er den primære teknologi, der bruges til global kommunikation. Hvad kan denne opdagelse betyde for kommunikationsindustrien? Uorden og materialefejl er uundgåelige optiske fibersystemer, resulterer i lavere datafidelitet, bit fejl, og båndbreddebegrænsninger. Teamet mener, at teknologier baseret på denne opdagelse kan udnyttes til at omgå virkningen af ​​uundgåelige materialefejl i sådanne systemer.

"Vi har allerede set så mange sensorer, som dem, der findes i din telefon eller i din bil, kan begrænses af iboende defekter i materialerne, " tilføjede Taylor. "Den tilgang, der er introduceret her, giver et simpelt middel til at omgå disse udfordringer, og kan endda hjælpe os med at nærme os grænserne sat af kvantemekanikken, frem for vores egne tekniske udfordringer. "

Praktiske anvendelser af dette resultat er muligvis ikke for mange år tilbage. Reduktion af mekaniske tab kan også direkte forbedre mekanikbaserede inertialnavigationssensorer, som vi bruger i dag. Eksempler, vi støder på i dagligdagen, er accelerometre og gyroskoper, uden hvilken vores mobiltelefoner ville være meget mindre i stand, og vores biler og flyvemaskiner meget mindre sikre.