Wenn optische Strahlen, die aus Photonen bestehen, durch Fasern wandern, verursachen sie Schwingungen, die Schallwellen erzeugen, die aus Phononen bestehen. Das als Brillouin-Streuung bezeichnete Phänomen wurde von Forschern genutzt, um akustische Wellen optomechanisch mit Lichtwellen zu „koppeln“. Diese Kopplung ermöglicht die Umwandlung oder Umwandlung von Informationen, die von Photonen getragen werden, in die Phononen, die sich fast eine Million Mal langsamer bewegen als Lichtwellen.
Die optoakustische Kopplung hat es den Forschern ermöglicht, die übertragenen Informationen leichter zu lesen und zu manipulieren. Bis heute verlassen sich jedoch viele der von Forschern verwendeten Brillouin-Streutechniken auf Standardfasergeometrien, die bewirken, dass Schallwellen schnell absterben, wodurch die Wirksamkeit der Kopplung eingeschränkt wird.
Nun haben Forscher der University of Rochester unter Verwendung einer optischen Faser mit einer mikrometergroßen Taille gezeigt, wie sich ausbreitende optische Wellen und langlebige akustische Wellen mit starken optisch-akustischen Wechselwirkungen gekoppelt werden können.
„Dies ist eine einzigartige und wünschenswerte Kombination, die bisher noch nicht erreicht wurde“, sagt Wendao Xu, Ph.D. Kandidat in der Forschungsgruppe von William Renninger, Assistenzprofessor am Rochester’s Institute of Optics. Xu ist der Hauptautor eines Artikels in Optik den Durchbruch beschreiben.
Der Durchbruch ermöglicht es, dass Informationen, die von einem Lichtimpuls getragen werden, vorübergehend in sich langsam ausbreitenden akustischen Wellen gespeichert werden, lange genug, damit ein zweiter Lichtimpuls die Informationen „lesen“ kann. Die Errungenschaft könnte Anwendungen für Lichtspeicherung, Hochfrequenz-Photonik-Filterung und optische Verzögerungsleitungen haben.
Die Forschung wurde beim WOMBAT 2022 Workshop on Optomechanics and Brillouin Scattering am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts mit dem Preis für die beste Präsentation ausgezeichnet, wo sie von Co-Autor Arjun Iyer, ebenfalls ein Ph.D. Kandidat in Renningers Labor.
„Wendao, Arjun und unsere Mitarbeiter an der Universität Tokio haben großartige Arbeit geleistet, um das Versprechen dieser neuen Plattform zu demonstrieren, und wir sind alle aufgeregt, wenn wir beginnen, uns auf Geräte der nächsten Generation und reale Anwendungen zu konzentrieren“, sagt Renninger.
Brillouin-Streuung in optischen Fasern: Herausforderungen meistern
„Die Amplitude der akustischen Welle nimmt auf ihrem Weg immer weiter ab“, erklärt Xu. „Grundsätzlich erzeugen alle hochwirksamen Brillouin-Streuungen, mit denen die Menschen derzeit zu tun haben, starke Wechselwirkungen, aber die akustischen Wellen haben eine hohe Frequenz im Gigahertz-Bereich. Je höher die Frequenz, desto kürzer kann die Welle tatsächlich reisen, bevor sie stirbt aus.“
Das sich verjüngende Glasfasergerät von Xu erzielt sowohl starke Wechselwirkungen als auch längere akustische Lebensdauern. Es besteht aus einer Multimode-Glasfaser, bei der der Mantel (Coating) entfernt wurde. Durch Erhitzen der Mitte der Faser und gleichzeitiges Anwenden mechanischer Spannung, um die Faser an beiden Enden zu dehnen, erzeugten Xu und seine Mitarbeiter eine eng begrenzte, symmetrische „Taille“ in der Faser.
Diese Taille bietet „eine ideale optomechanische Überlappung, die die stärksten Brillouin-Kopplungsstärken ergibt, die bisher von einer Faserverjüngung beobachtet wurden, und vergleichbar mit der größten optomechanischen Kopplungsstärke für jedes System“, heißt es in der Veröffentlichung.
Darüber hinaus ist die Lebensdauer der Phononen, die das Gerät erzeugt – etwa 2 Mikrosekunden – lang genug, dass Informationen, die von einem Lichtimpuls getragen werden, für einen relativ langen Zeitraum vor einem zweiten Lichtimpuls vorübergehend in dieser sich langsam ausbreitenden akustischen Welle gespeichert werden können liest die Informationen.
Ein sich verjüngendes optisches Fasergerät
Laut Iyer hat Xu zweierlei erreicht. „Eines davon ist das System, das sich verjüngende Fasergerät, das eine akustische Wellenfamilie unterstützt, der die Leute früher nicht viel Aufmerksamkeit geschenkt haben“, sagt er. „Der andere ist der Prozess selbst, der eine Wechselwirkung zwischen zwei verschiedenen optischen räumlichen Modi nutzt, um das zu bekommen, was wir wollten.“
Der Prozess – einschließlich der Physik, die zum Erreichen starker Wechselwirkungen mit langer Phononenlebensdauer erforderlich ist – könnte angepasst und sofort angewendet werden, um bestehende Technologien zu verbessern, sagt er. Beispielsweise das Erkennen und Herausfiltern unerwünschter Funkfrequenzen in photonischen Filtern oder das Erzeugen von faseroptischen Übertragungsverzögerungen zum Ausgleich von Verzögerungsunterschieden in Glasfasersystemen.
Das sich verjüngende Fasersystem hingegen ist zwar für die Forschung nützlich, aber wahrscheinlich zu zerbrechlich für reale Anwendungen außerhalb des Labors, sagt Iyer. „Das sind mikrometergroße Glasfäden, die einfach da hängen“, sagt er.
Die Forscher untersuchen jedoch bereits Möglichkeiten, das System für reale Anwendungen zu verpacken, sagt Iyer.
Mehr Informationen:
Wendao Xu et al, Starke optomechanische Wechselwirkungen mit langlebigen akustischen Grundwellen, Optik (2022). DOI: 10.1364/OPTICA.476764