Визуализация эффекта топологически-селективного рассеяния Бриллюэна в хиральном фотонно-кристаллическом волокне. Линейные стрелки обозначают направление распространения, а круговые стрелки обозначают состояния круговой поляризации или фазы вихря. Предоставлено: Научные достижения (2022 г.). DOI: 10.1126/sciadv.abq6064

Передавая селективные оптические вихревые моды исключительно в одном направлении, разработанное устройство в значительной степени сводит вредное обратное рассеяние к минимуму. Ученые подчеркивают большую практическую полезность своего открытия во многих оптических системах с приложениями, варьирующимися от мультиплексной связи с разделением мод и оптического пинцета до вихревых лазеров и систем квантовой манипуляции.

Оптическая связь может быть улучшена за счет увеличения объема передаваемой оптической информации. Это может быть достигнуто за счет использования мультиплексированных каналов, таких как использование многих 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 благодаря небольшим перекрестным помехам между ортогональными пространственными модами.

В классической связи, а также в квантовой связи использование вихревых мод в методах мультиплексирования оказалось выгодным. Этот специальный набор мод обладает спиральным оптическим фазовым распределением и обеспечивает дополнительную степень свободы для мультиплексирования оптических сигналов. Были продемонстрированы и пользуются большим спросом такие устройства, как вихревые генераторы, лазеры и усилители сигналов.

Ограничивающим эффектом для применимости является то, что до сих пор не было устройства, позволяющего 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. Он требует симметричного отклика канала передачи при перестановке источника и точек наблюдения.

Исследователям удалось создать оптический вихревой изолятор

Теперь команда из Института науки о свете Макса Планка под руководством Синлина Цзэна, Филипа Рассела и Биргит Стиллер совершила прорыв, который делает это возможным: они использовали звуковые волны , которые распространяются только в одном направлении, чтобы нарушить взаимность передачи света для выбранные вихревые моды.

Эффект так называемого топологически-селективного рассеяния Бриллюэна-Мандельштама в хиральном фотонно-кристаллическом волокне допускает однонаправленное взаимодействие вихренесущих световых волн с бегущими звуковыми волнами. Конкретный оптический вихрь можно сильно подавить или усилить с помощью хорошо спроектированного контрольного источника света. Экспериментальные результаты, опубликованные в журнале Science Advances , показывают значительную скорость изоляции вихрей, предотвращающую случайное обратное рассеяние и ухудшение сигнала в системе.

«Это первая невзаимная система для вихревых мод, которая открывает новую перспективу в невзаимной оптике — тот же физический эффект может иметь место не только на основных модах, но и на модах более высокого порядка», — говорит Синлинь Цзэн, первый автор книги. Эта бумага.

«Управляемый светом оптический вихревой изолятор окажет большое влияние на такие приложения, как оптическая связь, квантовая обработка информации , оптический пинцет и волоконные лазеры. Я нахожу возможность избирательного управления вихревыми модами исключительно световыми и звуковыми волнами очень увлекательной концепции», — говорит Биргит Стиллер, руководитель Исследовательской группы квантовой оптоакустики.