Onderzoekers ontwikkelen een methode om terugverstrooiing te onderdrukken en de optische gegevensoverdracht te verbeteren

Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, Champaign, IL

Ingenieurs van de Universiteit van Illinois hebben een manier gevonden om buitensporige lichtgolven om te leiden om het energieverlies tijdens optische gegevensoverdracht te verminderen. In een onderzoek maakten onderzoekers gebruik van de interactie tussen licht en geluidsgolven om de verstrooiing van licht door materiaaldefecten te onderdrukken, wat zou kunnen leiden tot verbeterde glasvezelcommunicatie.

Professor Gaurav Bahl, hoogleraar mechanische wetenschappen en techniek, en afgestudeerde student Seunghwi Kim bevestigden dat terugverstrooide lichtgolven kunnen worden onderdrukt om gegevensverlies in optische communicatiesystemen te verminderen. (Foto met dank aan Julia Stackler)

Lichtgolven verspreiden zich wanneer ze obstakels tegenkomen, of het nu een barst in een raam is of een klein foutje in een glasvezelkabel. Een groot deel van dat licht verstrooit het systeem uit, maar een deel ervan verstrooit terug naar de bron – een fenomeen dat terugverstrooiing wordt genoemd. Er zit altijd een beetje imperfectie en een beetje willekeur in de materialen die in welke technische technologie dan ook worden gebruikt. De meest perfecte optische vezel die wordt gebruikt voor datatransmissie over grote afstanden kan bijvoorbeeld nog steeds enkele onzichtbare gebreken vertonen. Deze gebreken kunnen het gevolg zijn van de productie, maar kunnen ook na verloop van tijd optreden als gevolg van thermische en mechanische veranderingen in het materiaal. Uiteindelijk bepalen dergelijke gebreken de prestatielimieten voor elk optisch systeem.

Enkele eerdere onderzoeken hebben aangetoond dat ongewenste terugverstrooiing kan worden onderdrukt in speciale materialen die bepaalde magnetische eigenschappen hebben. Dit zijn echter geen haalbare opties voor de huidige optische systemen die transparante, niet-magnetische materialen zoals silicium of silicaglas gebruiken. In het nieuwe onderzoek gebruikten de onderzoekers een interactie van licht met geluidsgolven, in plaats van magnetische velden, om terugverstrooiing onder controle te houden.

Lichtgolven reizen met dezelfde snelheid door de meeste materialen, ongeacht de richting, zowel voorwaarts als achterwaarts. Maar door gebruik te maken van enkele richtingsgevoelige opto-mechanische interacties zijn de onderzoekers in staat die symmetrie te doorbreken en terugverstrooiing effectief te stoppen. Het is alsof je een eenrichtingsspiegel creëert. Door de achterwaartse voortplanting van een lichtgolf te blokkeren, kan deze nergens heen als hij een verstrooier tegenkomt, en geen andere keus dan verder te gaan.

Om dit fenomeen aan te tonen stuurde het team lichtgolven naar een kleine bol gemaakt van silicaglas, een zogenaamde microresonator. Binnenin reist het licht langs een cirkelvormig pad als een racebaan, waarbij het keer op keer defecten in het silica tegenkomt, waardoor het terugverstrooiingseffect wordt versterkt. Het team gebruikte vervolgens een tweede laserstraal om de licht-geluidsinteractie alleen in achterwaartse richting te bewerkstelligen, waardoor de mogelijkheid van lichtverstrooiing naar achteren werd geblokkeerd. Wat verloren energie zou zijn geweest, gaat verder, ondanks defecten in de resonator.

“Het is belangrijk dat we de terugverstrooiing kunnen stoppen, maar een deel van het licht gaat nog steeds verloren door zijwaartse verstrooiing, waar wetenschappers geen controle over hebben”, zegt de hoofdonderzoeker, hoogleraar mechanische wetenschappen en techniek Gaurav Bahl. "De vooruitgang is daarom in dit stadium erg subtiel en alleen nuttig over een smalle bandbreedte. Als we echter eenvoudigweg verifiëren dat we terugverstrooiing kunnen onderdrukken in een materiaal dat zo gebruikelijk is als silicaglas, blijkt dat we betere glasvezelkabels zouden kunnen produceren of zelfs oude, beschadigde kabels kunnen blijven gebruiken die al in gebruik zijn op de bodem van de oceanen, in plaats van deze te moeten vervangen."

Het uitproberen van het experiment met glasvezelkabel zal de volgende stap zijn om aan te tonen dat dit fenomeen mogelijk is bij de bandbreedtes die vereist zijn voor glasvezelcommunicatie. “Het principe dat we onderzochten is al eerder gezien”, zei Bahl. "Het echte verhaal hier is dat we hebben bevestigd dat terugverstrooiing kan worden onderdrukt in zoiets eenvoudigs als glas, met behulp van een opto-mechanische interactie die beschikbaar is in elk optisch materiaal. We hopen dat andere onderzoekers dit fenomeen ook in hun optische systemen onderzoeken, om de technologie verder te ontwikkelen."

Neem voor meer informatie contact op met Gaurav Bahl op Dit e-mailadres wordt beveiligd tegen spambots. U heeft Javascript nodig om het te kunnen zien..