研究人员开发出抑制反向散射、增强光数据传输的方法
伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校，伊利诺伊州尚佩恩
伊利诺伊大学的工程师找到了一种方法来重新定向不匹配的光波，以减少光学数据传输过程中的能量损失。在一项研究中，研究人员利用光波和声波之间的相互作用来抑制材料缺陷造成的光散射，这可能会改善光纤通信。
机械科学与工程教授 Gaurav Bahl（左）和研究生 Seunghwi Kim 证实，可以抑制反向散射光波，以减少光通信系统中的数据丢失。 （朱莉娅·斯塔克勒供图）当光波遇到障碍物时，无论是窗户上的裂缝还是光缆上的微小缺陷，都会发生散射。大部分光散射出系统，但其中一些散射回光源，这种现象称为反向散射。任何工程技术中使用的材料总是存在一点缺陷和一点随机性。例如，用于远程数据传输的最完美的光纤可能仍然存在一些看不见的缺陷。这些缺陷可能是制造过程中造成的，也可能是由于材料的热和机械变化而随着时间的推移而出现的。最终，这些缺陷限制了任何光学系统的性能。
之前的一些研究表明，具有某些磁性的特殊材料可以抑制不需要的反向散射。然而，对于当今使用硅或石英玻璃等透明非磁性材料的光学系统来说，这些并不是可行的选择。在这项新研究中，研究人员利用光与声波的相互作用，而不是磁场，来控制反向散射。
光波以相同的速度穿过大多数材料，无论方向如何，无论是向前还是向后。但是，通过使用一些方向敏感的光机械相互作用，研究人员能够打破这种对称性并有效地关闭反向散射。这就像创建一面单向镜子。通过阻挡光波的向后传播，使其在遇到散射体时无处可去，只能继续前进。
为了证明这种现象，研究小组将光波发送到由石英玻璃制成的微小球体中，称为微谐振器。在内部，光线沿着像跑道一样的圆形路径传播，一遍又一遍地遇到二氧化硅中的缺陷，从而放大了反向散射效应。然后，研究小组使用第二束激光仅在向后方向上进行光声相互作用，从而阻止光向后散射的可能性。尽管谐振器存在缺陷，但本应损失的能量仍在继续前进。
首席研究员、机械科学与工程教授高拉夫·巴尔 (Gaurav Bahl) 表示：“能够阻止反向散射非常重要，但一些光仍然会因侧向散射而丢失，而科学家无法控制侧向散射。” “因此，这一进步在现阶段非常微妙，仅在窄带宽上有用。然而，简单地验证我们可以抑制像石英玻璃这样常见的材料中的反向散射，这表明我们可以生产更好的光纤电缆，甚至继续使用已经在世界海底使用的旧的、损坏的电缆，而不必更换它。”
下一步将在光纤电缆中进行实验，以证明这种现象在光纤通信所需的带宽下是可能的。 “我们探索的原理以前已经见过，”巴尔说。 “这里的真实情况是，我们已经证实，使用每种光学材料中都存在的光机相互作用，可以在像玻璃这样简单的东西中抑制反向散射。我们希望其他研究人员也在他们的光学系统中检查这种现象，以进一步推进这项技术。”
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