Forscher entwickeln Methode zur Unterdrückung der Rückstreuung und zur Verbesserung der optischen Datenübertragung

Universität von Illinois in Urbana-Champaign, Champaign, IL

Ingenieure der University of Illinois haben einen Weg gefunden, fehlgeleitete Lichtwellen umzuleiten, um den Energieverlust bei der optischen Datenübertragung zu reduzieren. In einer Studie nutzten Forscher eine Wechselwirkung zwischen Licht- und Schallwellen, um die Lichtstreuung durch Materialfehler zu unterdrücken – was zu einer verbesserten Glasfaserkommunikation führen könnte.

Gaurav Bahl, Professor für Maschinenbau und Ingenieurwesen (links), und der Doktorand Seunghwi Kim bestätigten, dass rückgestreute Lichtwellen unterdrückt werden können, um Datenverluste in optischen Kommunikationssystemen zu reduzieren. (Foto mit freundlicher Genehmigung von Julia Stackler)

Lichtwellen werden gestreut, wenn sie auf Hindernisse treffen, sei es ein Riss in einem Fenster oder ein winziger Fehler in einem Glasfaserkabel. Ein Großteil dieses Lichts wird aus dem System gestreut, aber ein Teil davon wird zurück zur Quelle gestreut – ein Phänomen, das als Rückstreuung bezeichnet wird. Es gibt immer ein wenig Unvollkommenheit und ein wenig Zufälligkeit in den Materialien, die in jeder technischen Technologie verwendet werden. Beispielsweise kann die perfekteste Glasfaser, die für die Datenübertragung über große Entfernungen verwendet wird, noch einige unsichtbare Mängel aufweisen. Diese Mängel können herstellungsbedingt sein oder im Laufe der Zeit durch thermische und mechanische Veränderungen des Materials auftreten. Letztlich setzen solche Mängel die Leistungsgrenzen für jedes optische System.

Einige frühere Studien haben gezeigt, dass unerwünschte Rückstreuung in speziellen Materialien mit bestimmten magnetischen Eigenschaften unterdrückt werden kann. Dies sind jedoch keine praktikablen Optionen für heutige optische Systeme, die transparente, nichtmagnetische Materialien wie Silizium oder Quarzglas verwenden. In der neuen Studie nutzten die Forscher eine Wechselwirkung von Licht mit Schallwellen anstelle von Magnetfeldern, um die Rückstreuung zu kontrollieren.

Lichtwellen breiten sich durch die meisten Materialien mit der gleichen Geschwindigkeit aus, unabhängig von der Richtung, sei es vorwärts oder rückwärts. Mithilfe einiger richtungsabhängiger opto-mechanischer Wechselwirkungen gelingt es den Forschern jedoch, diese Symmetrie zu durchbrechen und die Rückstreuung wirksam zu unterbinden. Es ist, als würde man einen Einwegspiegel erschaffen. Indem die Rückwärtsausbreitung einer Lichtwelle blockiert wird, kann sie nirgendwo hingehen, wenn sie auf einen Streuer trifft, und es gibt keine andere Möglichkeit, als sich weiter vorwärts zu bewegen.

Um dieses Phänomen zu demonstrieren, schickte das Team Lichtwellen in eine winzige Kugel aus Quarzglas, einen sogenannten Mikroresonator. Im Inneren bewegt sich das Licht auf einer kreisförmigen Bahn wie auf einer Rennstrecke und trifft dabei immer wieder auf Defekte in der Kieselsäure, wodurch der Rückstreueffekt verstärkt wird. Anschließend nutzte das Team einen zweiten Laserstrahl, um die Licht-Schall-Wechselwirkung nur in Rückwärtsrichtung zu aktivieren und so die Möglichkeit einer Lichtstreuung nach hinten zu verhindern. Die verloren gegangene Energie bewegt sich trotz Defekten im Resonator weiter vorwärts.

„Es ist wichtig, die Rückstreuung stoppen zu können, aber ein Teil des Lichts geht immer noch durch seitliche Streuung verloren, auf die Wissenschaftler keine Kontrolle haben“, sagte der leitende Forscher, Professor für Maschinenbau und Ingenieurwesen, Gaurav Bahl. „Der Fortschritt ist daher zum jetzigen Zeitpunkt sehr subtil und nur bei einer schmalen Bandbreite sinnvoll. Allein der Nachweis, dass wir die Rückstreuung in einem so verbreiteten Material wie Quarzglas unterdrücken können, deutet jedoch darauf hin, dass wir bessere Glasfaserkabel herstellen oder sogar alte, beschädigte Kabel, die bereits am Grund der Weltmeere im Einsatz sind, weiterverwenden könnten, anstatt sie ersetzen zu müssen.“

Das Experiment mit Glasfaserkabeln wird der nächste Schritt sein, um zu zeigen, dass dieses Phänomen bei den für die Glasfaserkommunikation erforderlichen Bandbreiten möglich ist. „Das Prinzip, das wir erforscht haben, gab es schon einmal“, sagte Bahl. „Die wahre Geschichte hier ist, dass wir bestätigt haben, dass Rückstreuung in etwas so Einfachem wie Glas unterdrückt werden kann, und zwar mithilfe einer opto-mechanischen Wechselwirkung, die in jedem optischen Material verfügbar ist. Wir hoffen, dass auch andere Forscher dieses Phänomen in ihren optischen Systemen untersuchen, um die Technologie weiter voranzutreiben.“

Für weitere Informationen wenden Sie sich bitte an Gaurav Bahl unter Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt. Sie müssen JavaScript aktivieren, damit Sie es sehen können.