Onderzoekers Ontwikkelen Methode om Backscattering te Onderdrukken, Optische Data Transmissie Verbeteren

University of Illinois at Urbana-Champaign, Champaign, IL

Ingenieurs aan de University of Illinois hebben een manier gevonden om misfit golven om te leiden om energieverlies tijdens optische data transmissie te verminderen. In een studie benutten onderzoekers een interactie tussen licht- en geluidgolven om de verstrooiing van licht van materiaaldefecten te onderdrukken - wat kan leiden tot verbeterde glasvezel communicatie.

Mechanische wetenschap en engineering professor Gaurav Bahl, links, en graduate student Seunghwi Kim bevestigden dat backscattered lichtgolven kunnen worden onderdrukt om dataverlies in optische communicatiesystemen te verminderen. (Foto courtesy Julia Stackler)

Probleem van backscattering

Lichtgolven verstrooien wanneer ze obstakels tegenkomen, of het nu een barst in een raam is of een kleine fout in een glasvezelkabel. Veel van dat licht verstrooit uit het systeem, maar een deel verstrooit terug naar de bron - een fenomeen genaamd backscattering. Er is altijd een beetje onvolmaaktheid en een beetje willekeur in de materialen die in elke geëngineerde technologie gebruikt worden. Bijvoorbeeld, de meest perfecte optische vezel gebruikt voor lange-afstand data transmissie kan nog steeds enige onzichtbare fouten hebben. Deze fouten kunnen een resultaat zijn van fabricage, of ze kunnen over tijd verschijnen als resultaat van thermische en mechanische veranderingen in het materiaal. Uiteindelijk stellen dergelijke fouten de prestatielimieten van elk optisch systeem vast.

Een paar eerdere studies hebben getoond dat ongewenste backscattering onderdrukt kan worden in speciale materialen die bepaalde magnetische eigenschappen hebben. Echter, dit zijn geen levensvatbare opties voor de huidige optische systemen die transparante, niet-magnetische materialen zoals silicium of silica glas gebruiken. In de nieuwe studie gebruikten de onderzoekers een interactie van licht met geluidgolven, in plaats van magnetische velden, om backscattering te controleren.

Lichtgolven reizen door de meeste materialen met dezelfde snelheid ongeacht richting, of het nu voorwaarts of achterwaarts is. Maar, door gebruik te maken van enkele richtingsgevoelige opto-mechanische interacties, zijn de onderzoekers in staat die symmetrie te doorbreken en effectief backscattering af te schakelen. Het is alsof je een eenrichtingsspiegel creëert. Door de achterwaartse voortplanting van een lichtgolf te blokkeren, heeft het nergens naartoe te gaan wanneer het een verstrooier ontmoet, en geen andere optie dan om voorwaarts te blijven bewegen.

Om dit fenomeen te demonstreren, stuurde het team lichtgolven in een kleine bol van silica glas, een microresonator genaamd. Binnenin reist het licht langs een cirkelvormig pad als een racetrack, waarbij het defecten in de silica herhaaldelijk tegenkomt, wat het backscattering effect versterkt. Het team gebruikte dan een tweede laserstraal om de licht-geluid interactie in de achterwaartse richting alleen te activeren, wat de mogelijkheid van licht achterwaarts te verstrooien blokkeerde. Wat verloren energie zou zijn geweest, blijft voorwaarts bewegen, ondanks defecten in de resonator.

"In staat zijn om backscattering te stoppen is significant, maar een deel van het licht gaat nog steeds verloren aan zij-verstrooiing, waar wetenschappers geen controle over hebben," zei de lead researcher, mechanische wetenschap en engineering professor Gaurav Bahl. "De vooruitgang is dus op dit stadium heel subtiel en alleen nuttig over een smalle bandbreedte. Echter, simpelweg verifiëren dat we backscattering kunnen onderdrukken in een materiaal zo gemeen als silica glas suggereert dat we betere glasvezelkabels kunnen produceren of zelfs oude, beschadigde kabels al in dienst op de bodem van de wereldoceanen kunnen blijven gebruiken, in plaats van ze te moeten vervangen."

Het experiment in glasvezelkabel uitvoeren zal de volgende stap zijn om te tonen dat dit fenomeen mogelijk is bij de bandbreedtes vereist in optische vezelcommunicaties. "Het principe dat we verkenden is eerder gezien," zei Bahl. "Het echte verhaal hier is dat we bevestigd hebben dat backscattering onderdrukt kan worden in iets zo simpeals glas, met een opto-mechanische interactie die beschikbaar is in elk optisch materiaal. We hopen dat andere onderzoekers dit fenomeen in hun optische systemen onderzoeken, om de technologie verder te laten vorderen."

Voor meer informatie, contacteer Gaurav Bahl via dit e-mailadres.