研究人員關(guān)閉后向散射 旨在改善光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸

伊利諾伊大學(xué)的工程師已經(jīng)找到了一種重定向失配光波的方法，以減少光學(xué)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的能量損失。在一項(xiàng)研究中，研究人員利用光和聲波之間的相互作用來(lái)抑制光從材料缺陷散射 - 這可能導(dǎo)致光纖通信的改善。他們的研究結(jié)果發(fā)表在Optica雜志上。

光波在遇到障礙物時(shí)會(huì)散射，無(wú)論是窗戶上的裂縫還是光纜中的微小缺陷。研究人員表示，大部分光線都散射出系統(tǒng)，但有些光散射回光源，這種現(xiàn)象稱為后向散射。

“沒(méi)有完美的材料，”領(lǐng)導(dǎo)這項(xiàng)研究的機(jī)械科學(xué)與工程教授Gaurav Bahl說(shuō)。“我們?cè)谌魏喂こ碳夹g(shù)中使用的材料總會(huì)有一些不完美和一點(diǎn)點(diǎn)隨機(jī)性。例如，用于遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖钔昝赖墓饫w可能仍然存在一些看不見的缺陷?？赡苁侵圃斓慕Y(jié)果，或者由于材料的熱和機(jī)械變化，它們會(huì)隨著時(shí)間的推移而出現(xiàn)。最終，這些缺陷為任何光學(xué)系統(tǒng)設(shè)定了性能極限。

先前的一些研究表明，在具有一定磁性的特殊材料中可以抑制不希望的后向散射。然而，對(duì)于今天采用透明非磁性材料(如硅或硅玻璃)的光學(xué)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這些都不是可行的選擇，Bahl說(shuō)

在這項(xiàng)新研究中，Bahl和研究生Seunghwi Kim利用光與聲波的相互作用而不是磁場(chǎng)來(lái)控制反向散射。

Bahl說(shuō)，無(wú)論方向如何，光波都以相同的速度穿過(guò)大多數(shù)材料，無(wú)論是向前還是向后。“但是，通過(guò)使用一些方向敏感的光機(jī)械相互作用，我們可以打破這種對(duì)稱性并有效地關(guān)閉后向散射。就像創(chuàng)建一個(gè)單向鏡子一樣。通過(guò)阻擋光波的向后傳播，它無(wú)處可去當(dāng)它遇到散射器時(shí)，除了繼續(xù)前進(jìn)之外別無(wú)選擇。“

為了證明這一現(xiàn)象，該團(tuán)隊(duì)將光波送入一個(gè)由石英玻璃制成的微小球體，稱為微諧振器。在內(nèi)部，光沿著像賽道一樣的圓形路徑行進(jìn)，一次又一次地遇到二氧化硅中的缺陷，放大了后向散射效應(yīng)。然后，該團(tuán)隊(duì)使用第二個(gè)激光束僅在向后方向上進(jìn)行光聲相互作用，從而阻止光線向后散射的可能性。盡管諧振器存在缺陷，但本來(lái)會(huì)失去的能量繼續(xù)向前發(fā)展。

巴爾說(shuō)，能夠阻止后向散射是很重要的，但是一些光線仍然會(huì)被側(cè)向散射所損失，科學(xué)家無(wú)法控制它們。“因此，在這個(gè)階段，進(jìn)步是非常微妙的，并且僅在窄帶寬上有用。但是，僅僅驗(yàn)證我們可以抑制像石英玻璃那樣常見的材料中的反向散射，這表明我們可以生產(chǎn)更好的光纖光纜甚至繼續(xù)使用舊光纖，損壞的電纜已經(jīng)在世界海底使用，而不是必須更換它。“

嘗試在光纖電纜中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)將是下一步，表明在光纖通信所需的帶寬下可能出現(xiàn)這種現(xiàn)象。

“我們之前已經(jīng)看過(guò)我們探索過(guò)的原則，”巴爾說(shuō)。“這里的真實(shí)故事是，我們已經(jīng)證實(shí)，在玻璃上可以抑制反向散射，使用每種光學(xué)材料都可以使用的光機(jī)械相互作用。我們希望其他研究人員在他們的光學(xué)系統(tǒng)中檢查這種現(xiàn)象，如好吧，進(jìn)一步推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)。“