Новый метод подавления звуковых волн от беспорядка для улучшения оптоволоконной связи

Совместные исследования Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, Национального института стандартов и технологий и Университета Мэриленда открыли новую технику, с помощью которой можно по требованию подавить рассеяние звуковых волн от беспорядка в материале. Все это может быть просто достигнуто путем освещения соответствующим цветом лазерного излучения.

Результат, опубликованный в Nature Communications, может иметь большое влияние на датчики и системы связи.Гаурав Баль, доцент кафедры механики и инженерии, и его исследовательская группа изучали взаимодействие света со звуком в твердотельных микрорезонаторах.

Этот новый результат является кульминацией серии экспериментов, проводимых его командой в течение последних нескольких лет, и нового научного вопроса, поставленного в правильном месте.«Резонаторы можно рассматривать как эхо-камеры для звука и света, и они могут быть такими же простыми, как микросферические стеклянные шары, подобные тем, которые мы использовали в нашем исследовании», — пояснил Бал. «Наше исследовательское сообщество давно поняло, что свет можно использовать для создания и усиления звуковых волн в резонаторах с помощью различных оптических сил.

Резонансные эхо помогают увеличить время взаимодействия между звуком, светом и материальным беспорядком, делая эти тонкие эффекты более заметными. легче наблюдать и контролировать. Поскольку взаимодействия внутри резонаторов принципиально не отличаются от взаимодействий, происходящих в любой другой системе, они могут быть действительно компактной платформой для изучения лежащей в основе физики ».

Ключ к подавлению рассеяния из-за беспорядка состоит в том, чтобы вызвать рассогласование в распространении между исходным и рассеянным направлениями. Эта идея похожа на то, как электрический ток предпочитает течь по пути наименьшего сопротивления или как вода предпочитает течь через более широкую трубу, а не через суженную.

Чтобы подавить обратное рассеяние звуковых волн, движущихся вперед, необходимо создать большой акустический импеданс в обратном направлении. Эта асимметрия для волн, распространяющихся вперед и назад, называется хиральностью среды.

Большинство твердотельных систем не обладают хиральными свойствами, но эти свойства могут быть вызваны магнитными полями или пространственно-временными изменениями среды.«Несколько лет назад мы обнаружили, что киральность света может быть вызвана с помощью оптико-механического явления, при котором свет соединяется с распространяющимися звуковыми волнами и делает среду прозрачной.

Наши эксперименты в то время показали, что индуцированная оптическая прозрачность допускает только свет двигаться в одном направлении, то есть создает предпочтительно низкий оптический импеданс в одном направлении », — сказал Бахл. «Именно тогда мы встретили нашего сотрудника Джейкоба Тейлора, физика из NIST, который задал нам простой вопрос. Что происходит со звуковыми волнами в такой системе?»«Наше теоретическое моделирование предсказало, что наличие хиральной системы распространения звука может подавить любое обратное рассеяние, которое могло быть вызвано беспорядком», — пояснил Тейлор. «Эта концепция возникла в результате работы, которую мы выполняли в последние несколько лет по исследованию топологической защиты света, где хиральное распространение является ключевой особенностью для повышения производительности устройств. Изначально план с командой Бала состоял в том, чтобы просто показать разницу между звуковые волны, распространяющиеся вперед и назад, используют охлаждающий эффект, создаваемый светом. Но система удивила нас еще более сильным практическим эффектом, чем ожидалось ».

Этот простой вопрос положил начало новому многолетнему исследованию в направлении, которое ранее не исследовалось. Работая в тесном сотрудничестве, команда обнаружила, что рассеяние света Бриллюэна, особый вид оптико-механического взаимодействия, также может вызывать хиральность звуковых волн.

Между экспериментальными инструментами в лаборатории Бала и теоретическими достижениями в лаборатории Тейлора части головоломки уже были на месте.«Мы экспериментально подготовили киральную оптомеханическую систему, циркулируя лазерное поле по часовой стрелке в резонаторе из кварцевого стекла.

Длина или цвет лазерной волны были специально настроены так, чтобы вызывать оптическое демпфирование только звуковых волн по часовой стрелке. Это создавало большое рассогласование акустического импеданса между направлением распространения по часовой стрелке и против часовой стрелки ", — пояснил Сынхви Ким, первый автор исследования. «Звуковые волны, распространяющиеся в направлении по часовой стрелке, испытали очень большие потери из-за оптико-механического эффекта охлаждения. Звуковые волны, движущиеся в направлении против часовой стрелки, могли свободно перемещаться.

Как ни странно, мы увидели огромное сокращение потерь на рассеяние для звука против часовой стрелки. "Подобно тому, как звук является основным методом голосовой связи между людьми, электромагнитные волны, такие как радио и свет, являются основной технологией, используемой для глобальной связи. Что это открытие может означать для индустрии связи?

Беспорядок и дефекты материала являются неизбежными оптоволоконными системами, что приводит к снижению точности данных, ошибкам в битах и ​​ограничению полосы пропускания. Команда считает, что технологии, основанные на этом открытии, можно использовать для предотвращения воздействия неизбежных дефектов материала в таких системах.«Мы уже видели, что многие датчики, такие как те, что установлены в вашем телефоне или в вашем автомобиле, могут быть ограничены внутренними дефектами материалов», — добавил Тейлор. «Представленный здесь подход предоставляет простые средства обхода этих проблем и может даже помочь нам приблизиться к пределам, установленным квантовой механикой, а не нашими собственными инженерными проблемами».

На практическое применение этого результата может потребоваться не так много лет. Снижение механических потерь может также напрямую улучшить механические инерциальные навигационные датчики, которые мы используем сегодня.

Примеры, с которыми мы сталкиваемся в повседневной жизни, — это акселерометры и гироскопы, без которых наши мобильные телефоны были бы намного менее функциональными, а наши автомобили и самолеты — гораздо менее безопасными.

Портал обо всем