Коническое оптическое волокно решает проблему бриллюэновского рассеяния
Когда оптические лучи, состоящие из фотонов, проходят по волокнам, они вызывают колебания, которые генерируют акустические волны, состоящие из фононов. Явление, называемое рассеянием Бриллюэна, было использовано исследователями для оптомеханического соединения акустических волн со световыми. Эта связь позволяет преобразовывать информацию, переносимую фотонами, в фононы, которые движутся почти в миллион раз медленнее, чем световые волны. Используя оптическое волокно с перетяжкой микронного размера, исследователи Университета Рочестера продемонстрировали, как соединить распространяющиеся оптические волны и долгоживущие акустические волны с сильным оптико-акустическим взаимодействием.
Коническое оптическое волокно, созданное исследователями из Университета Рочестера, обеспечивает сильное оптико-акустическое взаимодействие с долгоживущими акустическими волнами.
Когда оптические лучи, состоящие из фотонов, проходят по волокнам, они вызывают колебания, которые генерируют акустические волны, состоящие из фононов. Явление, называемое рассеянием Бриллюэна, было использовано исследователями для оптомеханического соединения акустических волн со световыми. Эта связь позволяет преобразовывать информацию, переносимую фотонами, в фононы, которые движутся почти в миллион раз медленнее, чем световые волны.
Опто-акустическая связь позволила исследователям легче читать и обрабатывать преобразованную информацию. Однако на сегодняшний день многие из методов бриллюэновского рассеяния, которые использовали исследователи, основаны на стандартной геометрии волокон, которые вызывают быстрое затухание акустических волн, что ограничивает эффективность связи.
Теперь, используя оптическое волокно с перетяжкой микронного размера, исследователи Университета Рочестера продемонстрировали, как соединить распространяющиеся оптические волны и долгоживущие акустические волны с сильным оптико-акустическим взаимодействием.
«Это уникальная и желанная комбинация, которая ранее не была достигнута», — говорит Вендао Сюй, доктор философии, кандидат в исследовательскую группу Уильяма Реннингера, доцента Рочестерского института оптики. Сюй — ведущий автор статьи в Optica, описывающей прорыв.
Прорыв позволяет временно хранить информацию, переносимую световым импульсом, в медленно распространяющихся акустических волнах, на время, достаточное для того, чтобы второй импульс света «прочитал» информацию. Достижение может иметь приложения для хранения света, радиочастотной фотонной фильтрации и оптических линий задержки.
Исследование получило награду за лучшую презентацию на семинаре WOMBAT 2022 по оптомеханике и бриллюэновскому рассеянию в Институте наук о свете Макса Планка, где оно было представлено соавтором Арджуном Айером, также доктором философии, кандидат в лаборатории Реннингера.
«Вендао, Арджун и наши сотрудники из Токийского университета проделали большую работу, продемонстрировав перспективность этой новой платформы, и мы все взволнованы тем, что начинаем сосредотачиваться на устройствах следующего поколения и реальных приложениях», — говорит Реннингер.
Бриллюэновское рассеяние в оптических волокнах: преодоление проблем
«Амплитуда акустической волны продолжает уменьшаться по мере ее распространения», — объясняет Сюй. «По сути, все сильное бриллюэновское рассеяние, с которым люди имеют дело прямо сейчас, производят сильные взаимодействия, но акустические волны имеют высокую частоту, в гигагерцовом диапазоне. Чем выше частота, тем короче может пройти волна, прежде чем она затухнет."
Коническое волоконно-оптическое устройство Сюй обеспечивает как сильное взаимодействие, так и более длительный акустический срок службы. Он состоит из многомодового стекловолокна со снятой оболочкой (покрытием). Нагревая центр волокна и одновременно применяя механическое напряжение для растяжения волокна на обоих концах, Сюй и его сотрудники создали плотно сжатую симметричную «талию» в волокне.
Эта талия обеспечивает «идеальное оптико-механическое перекрытие, обеспечивающее самую сильную силу бриллюэновской связи, наблюдаемую на сегодняшний день для конуса волокна, и сравнимую с самой большой силой оптико-механической связи для любой системы», — отмечается в документе.
Более того, время жизни фононов, генерируемых устройством, — около 2 микросекунд — достаточно велико, чтобы информация, переносимая световым импульсом, могла быть временно сохранена в этой медленно распространяющейся акустической волне в течение относительно длительного периода времени, прежде чем второй световой импульс читает информацию.
Коническое оптоволоконное устройство
По словам Айера, достижение Сюй двоякое. «Одним из них является система, устройство с коническим волокном, поддерживающее семейство акустических волн, на которое раньше люди не обращали особого внимания», — говорит он. «Другой — это сам процесс, использующий взаимодействие между двумя разными оптическими пространственными модами, чтобы получить то, что мы хотели».
По его словам, этот процесс, в том числе физика, связанная с достижением сильных взаимодействий с длительным временем жизни фононов, может быть адаптирован и немедленно применен для улучшения существующих технологий. Например, обнаружение и фильтрация нежелательных радиочастот в фотонных фильтрах или создание задержек передачи по оптоволокну для компенсации различий в задержках в оптоволоконных системах.
С другой стороны, коническая волоконная система, хотя и полезная для исследований, вероятно, слишком хрупкая для реальных приложений за пределами лаборатории, говорит Айер. «Это стеклянные нити микронного размера, которые просто висят там», — говорит он.
Однако исследователи уже изучают способы упаковки системы для реальных приложений, говорит Айер.
