Lorsque des faisceaux optiques, constitués de photons, traversent des fibres, ils provoquent des vibrations qui génèrent des ondes acoustiques, constituées de phonons. Le phénomène, appelé diffusion Brillouin, a été exploité par les chercheurs pour « coupler » optomécaniquement les ondes acoustiques avec les ondes lumineuses. Ce couplage permet aux informations transportées par les photons d’être transduites, ou converties, en phonons, qui voyagent près d’un million de fois plus lentement que les ondes lumineuses.
Le couplage opto-acoustique a permis aux chercheurs de lire et de manipuler plus facilement les informations transduites. À ce jour, cependant, de nombreuses techniques de diffusion Brillouin utilisées par les chercheurs reposent sur des géométries de fibres standard qui provoquent une disparition rapide des ondes acoustiques, ce qui limite l’efficacité du couplage.
Maintenant, en utilisant une fibre optique avec une taille micrométrique, des chercheurs de l’Université de Rochester ont démontré comment coupler des ondes optiques se propageant et des ondes acoustiques à longue durée de vie, avec de fortes interactions optiques-acoustiques.
« Il s’agit d’une combinaison unique et souhaitable qui n’a jamais été réalisée auparavant », déclare Wendao Xu, titulaire d’un doctorat. candidat dans le groupe de recherche de William Renninger, professeur assistant au Rochester’s Institute of Optics. Xu est l’auteur principal d’un article en Optique décrivant la percée.
Cette percée permet aux informations transportées par une impulsion lumineuse d’être temporairement stockées dans des ondes acoustiques à propagation lente suffisamment longtemps pour qu’une seconde impulsion lumineuse « lise » l’information. La réalisation pourrait avoir des applications pour le stockage de la lumière, le filtrage photonique radiofréquence et les lignes à retard optiques.
La recherche a reçu le prix de la meilleure présentation lors de l’atelier WOMBAT 2022 sur l’optomécanique et la diffusion Brillouin à l’Institut Max Planck pour la science de la lumière, où elle a été présentée par le co-auteur Arjun Iyer, également titulaire d’un doctorat. candidat dans le laboratoire de Renninger.
« Wendao, Arjun et nos collaborateurs de l’Université de Tokyo ont fait un excellent travail en démontrant la promesse de cette nouvelle plate-forme et nous sommes tous ravis alors que nous commençons à nous concentrer sur les appareils de nouvelle génération et les applications du monde réel », a déclaré Renninger.
Diffusion Brillouin dans les fibres optiques : Relever les défis
« L’amplitude de l’onde acoustique ne cesse de diminuer au fur et à mesure qu’elle se déplace », explique Xu. « Fondamentalement, toute la diffusion Brillouin à fort impact à laquelle les gens sont actuellement confrontés produit de fortes interactions, mais les ondes acoustiques ont une fréquence élevée, dans la gamme des gigahertz. Plus la fréquence est élevée, plus l’onde peut réellement se déplacer avant de mourir. dehors. »
Le dispositif à fibre optique conique de Xu permet à la fois des interactions fortes et des durées de vie acoustiques plus longues. Il se compose d’une fibre de verre multimode dont la gaine (revêtement) a été retirée. En chauffant le centre de la fibre et en appliquant simultanément une tension mécanique pour étirer la fibre aux deux extrémités, Xu et ses collaborateurs ont produit une « taille » étroitement confinée et symétrique dans la fibre.
Cette taille fournit « un chevauchement optomécanique idéal produisant les forces de couplage Brillouin les plus fortes observées à ce jour à partir d’un cône de fibre, et comparables à la plus grande force de couplage optomécanique pour n’importe quel système », note l’article.
De plus, la durée de vie des phonons que le dispositif génère – environ 2 microsecondes – est suffisamment longue pour que les informations portées par une impulsion lumineuse puissent être temporairement stockées dans cette onde acoustique à propagation lente pendant une période de temps relativement longue, avant une seconde impulsion lumineuse. lit les informations.
Un dispositif à fibre optique conique
Selon Iyer, la réussite de Xu est double. « L’un est le système, le dispositif à fibre conique, qui prend en charge une famille d’ondes acoustiques à laquelle les gens ne prêtaient pas beaucoup d’attention auparavant », dit-il. « L’autre est le processus lui-même, utilisant une interaction entre deux modes spatiaux optiques différents pour obtenir ce que nous voulions. »
Le processus, y compris la physique impliquée dans la réalisation d’interactions fortes avec de longues durées de vie des phonons, pourrait être adapté et appliqué immédiatement pour améliorer les technologies existantes, dit-il. Par exemple, détecter et filtrer les fréquences radio indésirables dans les filtres photoniques ou produire des retards de transmission par fibre optique pour compenser les différences de retard dans les systèmes à fibre optique.
Le système de fibres coniques, d’autre part, bien qu’utile pour la recherche, est probablement trop fragile pour les applications du monde réel en dehors du laboratoire, dit Iyer. « Ce sont des filaments de verre de la taille d’un micron qui sont juste suspendus là », dit-il.
Cependant, les chercheurs explorent déjà des moyens de conditionner le système pour des applications réelles, explique Iyer.
Plus d’information:
Wendao Xu et al, Interactions optomécaniques fortes avec des ondes acoustiques fondamentales à longue durée de vie, Optique (2022). DOI : 10.1364/OPTICA.476764