Прорыв в оптической передаче информации

Ученые из Института науки о свете Макса Планкаудалось впервые создать однонаправленное устройство, существенно повышающее качество особого класса передаваемых сигналов в оптической связи: оптических вихрей. Передавая избирательные оптические вихревые моды исключительно в одном направлении, разработанное устройство в значительной степени снижает вредное обратное рассеяние до минимума. Ученые подчеркивают большую практическую ценность своего открытия во многих оптических системах, от мультиплексной связи с модовым разделением, оптических пинцетов, вихревых лазеров до систем квантовых манипуляций.

Оптическая связь может быть улучшена за счет увеличения количества передаваемой оптической информации. Этого можно достичь за счет использования мультиплексированных каналов, таких как использование множества оптических длин волн, различных состояний поляризации или нескольких временных интервалов. В последнее десятилетие оптические пространственные моды, которые являются собственными полями в волноводах, широко используются для дальнейшего улучшения пропускной способности связи из-за небольших перекрестных помех между ортогональными пространственными модами.

Как в классической, так и в квантовой коммуникации использование вихревых мод в методах мультиплексирования оказалось выгодным. Этот специальный набор режимов имеет спиральное распределение оптической фазы и обеспечивает дополнительную степень свободы при мультиплексировании оптических сигналов. Такие устройства, как вихревые генераторы, лазеры и усилители сигнала, были продемонстрированы и пользуются большим спросом.

Ограничивающим фактором применимости является то, что до сих пор не создано устройство, позволяющее передавать определенные вихревые моды в одном направлении, но не в противоположном. Однако именно такое устройство — так называемый оптический вихревой изолятор — имеет решающее значение для улучшения качества и чистоты сигнала. Особую трудность в разработке такого устройства представляет фундаментальный принцип оптики: взаимность. Это требует симметричного отклика канала передачи при перестановке источника и точек наблюдения.

Теперь группа из Института науки о свете Макса Планка под руководством Синлин Цзэна, Филипа Рассела и Биргит Стиллер добилась прорыва, который делает это возможным: они использовали звуковые волны, которые распространяются только в одном направлении, чтобы нарушить взаимность передачи света для выбранные вихревые режимы. Эффект так называемого топологически избирательного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в киральном фотонно-кристаллическом волокне обеспечивает однонаправленное взаимодействие световых волн, несущих вихри, с бегущими звуковыми волнами. Конкретный оптический вихрь можно сильно подавить или усилить с помощью хорошо спроектированного контрольного света. Результаты экспериментов, опубликованные в журнале Science Advances, показывают значительную степень изоляции вихрей, предотвращая случайное обратное рассеяние и деградацию сигнала в системе.

«Это первая невзаимная система для вихревых мод, которая открывает новую перспективу в невзаимной оптике — один и тот же физический эффект может происходить не только с фундаментальными модами, но и с модами более высокого порядка», — говорит Синлинь Цзэн, первый автор этой работы. бумага. «Световой оптический вихревой изолятор окажет большое влияние на такие приложения, как оптическая связь, квантовая обработка информации, оптические пинцеты и волоконные лазеры. Я считаю, что возможность избирательного манипулирования вихревыми модами исключительно с помощью световых и звуковых волн очень интересна. концепция», — говорит Биргит Стиллер, руководитель исследовательской группы квантовой оптоакустики.

- Этот пресс-релиз был первоначально опубликован на веб-сайте Max-Planck-Gesellschaft.