Forscher entwickeln Methode zur Unterdrückung von Rückstreuung, verbessert optische Datenübertragung

University of Illinois at Urbana-Champaign, Champaign, IL

Ingenieure der University of Illinois haben einen Weg gefunden, fehlangepasste Lichtwellen umzuleiten, um Energieverlust während optischer Datenübertragung zu reduzieren. In einer Studie nutzten Forscher eine Interaktion zwischen Licht- und Schallwellen, um die Streuung von Licht an Materialdefekten zu unterdrücken – was zu verbesserter Glasfaserkommunikation führen könnte.

Mechanical Science and Engineering Professor Gaurav Bahl, links, und Graduiertenstudent Seunghwi Kim bestätigten, dass rückgestreute Lichtwellen unterdrückt werden können, um Datenverlust in optischen Kommunikationssystemen zu reduzieren. (Foto: Julia Stackler)

Das Problem: Lichtstreuung an Defekten

Lichtwellen streuen, wenn sie auf Hindernisse treffen, sei es ein Riss in einem Fenster oder ein winziger Fehler in einem Glasfaserkabel. Ein Großteil dieses Lichts streut aus dem System, aber ein Teil streut zurück zur Quelle – ein Phänomen namens Rückstreuung (Backscattering). Es gibt immer ein bisschen Imperfektion und Zufälligkeit in Materialien, die in jeder ingenieurtechnischen Technologie verwendet werden. Zum Beispiel könnte die perfekteste optische Faser für Langstreckendatenübertragung noch einige unsichtbare Fehler haben. Diese Fehler können ein Ergebnis der Fertigung sein oder über Zeit durch thermische und mechanische Änderungen am Material auftreten. Letztlich setzen solche Fehler die Leistungsgrenzen für jedes optische System.

Einige wenige vorherige Studien haben gezeigt, dass unerwünschte Rückstreuung in speziellen Materialien mit bestimmten magnetischen Eigenschaften unterdrückt werden kann. Diese sind jedoch keine praktikablen Optionen für heutige optische Systeme, die transparente, nichtmagnetische Materialien wie Silizium oder Silicaglas nutzen. In der neuen Studie nutzten die Forscher eine Interaktion von Licht mit Schallwellen, statt magnetischer Felder, um Rückstreuung zu kontrollieren.

Symmetriebrechung durch Optomechanik

Lichtwellen reisen durch die meisten Materialien mit derselben Geschwindigkeit unabhängig von Richtung, sei es vorwärts oder rückwärts. Aber durch Nutzung einiger richtungsempfindlicher optomechanischer Interaktionen sind die Forscher in der Lage, diese Symmetrie zu brechen und Rückstreuung effektiv abzuschalten. Es ist wie das Erzeugen eines Einwegspiegels. Indem man die rückwärts gerichtete Propagation einer Lichtwelle blockiert, hat sie nirgendwo hin zu gehen, wenn sie auf einen Streuer trifft, und keine andere Option als weiter vorwärts zu bewegen.

Um dieses Phänomen zu demonstrieren, sandte das Team Lichtwellen in eine winzige Kugel aus Silicaglas, einen Mikroresonator. Innen reist das Licht entlang eines kreisförmigen Pfads wie eine Rennstrecke, begegnet Defekten im Silica immer wieder, was den Rückstreuungseffekt amplifiziert. Das Team nutzte dann einen zweiten Laserstrahl, um die Licht-Schall-Interaktion in der rückwärts gerichteten Richtung nur zu engagieren, blockierend die Möglichkeit von Licht, rückwärts zu streuen. Was verlorene Energie gewesen wäre, bewegt sich weiter vorwärts, trotz Defekten im Resonator.

„In der Lage zu sein, Rückstreuung zu stoppen, ist signifikant, aber ein Teil des Lichts geht immer noch durch Seitenstreuung verloren, worüber Wissenschaftler keine Kontrolle haben“, sagte der leitende Forscher, Mechanical Science and Engineering Professor Gaurav Bahl. „Der Fortschritt ist daher an diesem Stadium sehr subtil und nur über ein schmales Bandbreite nützlich. Allerdings schlichtweg zu verifizieren, dass wir Rückstreuung in einem so commonen Material wie Silicaglas unterdrücken können, legt nahe, dass wir bessere Glasfaserkabel produzieren oder sogar alte, beschädigte Kabel, die bereits am Boden der Weltmeere im Dienst sind, weiter nutzen könnten, statt sie ersetzen zu müssen.“

Der Versuch im Glasfaserkabel wird der nächste Schritt sein, zu zeigen, dass dieses Phänomen bei den Bandbreiten möglich ist, die in optischen Faserkommunikationen erforderlich sind. „Das Prinzip, das wir erforscht haben, wurde schon früher gesehen“, sagte Bahl. „Die wahre Story hier ist, dass wir bestätigt haben, dass Rückstreuung in etwas so Einfachem wie Glas unterdrückt werden kann, mittels einer optomechanischen Interaktion, die in jedem optischen Material verfügbar ist. Wir hoffen, dass andere Forscher dieses Phänomen in ihren optischen Systemen untersuchen, um die Technologie weiter voranzubringen.“

Für weitere Informationen kontaktieren Sie Gaurav Bahl unter: Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein.