Forskere slukker backscattering, sigte på at forbedre optisk datatransmission

Ingeniører ved University of Illinois har fundet en måde at omdirigere uhensigtsmæssige lysbølger for at reducere energitab under optisk datatransmission. I en undersøgelse, forskere udnyttede en interaktion mellem lys- og lydbølger til at undertrykke spredningen af ​​lys fra materialefejl - hvilket kunne føre til forbedret fiberoptisk kommunikation. Deres resultater er offentliggjort i tidsskriftet Optica .

Lysbølger spredes, når de støder på forhindringer, det være sig en revne i et vindue eller en lillebitte fejl i et fiberoptisk kabel. Meget af det lys spredes ud af systemet, men noget af det spreder sig tilbage mod kilden i et fænomen kaldet tilbagespredning, sagde forskerne.

"Der er ikke noget, der hedder et perfekt materiale, "sagde professor i mekanisk videnskab og teknik Gaurav Bahl, der ledede undersøgelsen. "Der er altid en lille smule ufuldkommenhed og en lille smule tilfældighed i de materialer, vi bruger i enhver konstrueret teknologi. F.eks. den mest perfekte optiske fiber, der bruges til langdistancedatatransmission, kan stadig have nogle usynlige fejl. Disse fejl kan være et resultat af fremstilling, eller de kan opstå over tid som følge af termiske og mekaniske ændringer i materialet. Ultimativt, sådanne fejl sætter grænserne for ydeevne for ethvert optisk system."

Et par tidligere undersøgelser har vist, at uønsket tilbagespredning kan undertrykkes i specielle materialer, der har visse magnetiske egenskaber. Imidlertid, disse er ikke levedygtige muligheder for nutidens optiske systemer, der bruger transparente, ikke-magnetiske materialer som silicium eller silicaglas, sagde Bahl

I den nye undersøgelse, Bahl og kandidatstuderende Seunghwi Kim brugte en interaktion mellem lys og lydbølger, i stedet for magnetiske felter, at kontrollere tilbagespredning.

Lysbølger bevæger sig gennem de fleste materialer med samme hastighed uanset retning, det være sig frem eller tilbage, sagde Bahl. "Men, ved at bruge nogle retningsfølsomme opto-mekaniske interaktioner, vi kan bryde den symmetri og effektivt lukke backscattering. Det er som at skabe et envejsspejl. Ved at blokere bagudspredningen af ​​en lysbølge, det har ingen steder at gå, når det støder på en spreder, og ingen anden mulighed end at fortsætte fremad."

For at demonstrere dette fænomen, holdet sendte lysbølger ind i en lille kugle lavet af silicaglas, kaldet en mikroresonator. Inde, lyset bevæger sig langs en cirkulær sti som en racerbane, støder på defekter i silicaen igen og igen, forstærker tilbagespredningseffekten. Holdet brugte derefter en anden laserstråle til kun at engagere lys-lyd-interaktionen i baglæns retning, blokerer muligheden for lysspredning bagud. Hvad der ville have været tabt energi, fortsætter med at bevæge sig fremad, på trods af defekter i resonatoren.

Det er vigtigt at kunne stoppe tilbageskridt, men noget af lyset er stadig tabt til sidespredning, som videnskabsmænd ikke har kontrol over, sagde Bahl. "Avanceringen er derfor meget subtil på dette stadium og kun nyttig over en smal båndbredde. blot at verificere, at vi kan undertrykke tilbagespredning i et materiale, der er så almindeligt som silicaglas, tyder på, at vi kunne producere bedre fiberoptiske kabler eller endda fortsætte med at bruge gamle, beskadiget kabel, der allerede er i drift på bunden af ​​verdenshavene, i stedet for at skulle udskifte den."

At prøve forsøget med fiberoptisk kabel vil være det næste trin i at vise, at dette fænomen er muligt ved de båndbredder, der kræves i optisk fiberkommunikation.

"Det princip, vi udforskede, er set før, " sagde Bahl. "Den virkelige historie her er, at vi har bekræftet, at tilbagespredning kan undertrykkes i noget så simpelt som glas, ved hjælp af en opto-mekanisk interaktion, der er tilgængelig i hvert optisk materiale. Vi håber, at andre forskere undersøger dette fænomen i deres optiske systemer, såvel, for at fremme teknologien yderligere."