24.10.2022

Optoakustische Einbahnstraße für Lichtwirbel

Gerichtete Schallwellen brechen die Reziprozität der Lichtübertragung.

Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts ist es erstmals gelungen, ein unidirek­tionales Bauelement zu schaffen, das die Qualität einer speziellen Klasse von übertragenen Signalen in der optischen Kommuni­kation deutlich erhöht: optische Wirbel. Durch die uni­direktionale Übertragung von selektiven optischen Wirbelmoden – einer speziellen Form der Signalübertragung – reduziert das entwickelte Gerät die schädliche Rückstreuung deutlich. Die Forscher betonen den großen Nutzen ihrer Entdeckung in optischen Systemen, so reicht die Anwendung des Bauelements von der Moden­multiplex-Kommunikation, optischen Pinzetten, Vortex-Lasern bis hin zu Quanten­manipulations­systemen.

Abb.: Illustration des topologie­selektiven Brillouin-Streuungseffekts in...
Abb.: Illustration des topologie­selektiven Brillouin-Streuungseffekts in einer chiralen photonischen Kristallfaser. (Bild: X. Zeng & P. Russell)

Die optische Kommunikation kann verbessert werden, indem die Menge der übertragenen optischen Infor­mationen erhöht wird. Dies kann durch die Verwendung von Multiplex-Kanälen erreicht werden, zum Beispiel mit mehreren optischen Wellenlängen, verschiedenen Polarisations­zuständen oder mehreren Zeitfenstern. So wurden in den letzten zehn Jahren die optischen Raummoden, die Eigenfelder in den Wellen­leitern, in großem Umfang genutzt: Sie verbessern die Kommunikations­kapazität aufgrund der geringen Überlagerung zwischen ortho­gonalen Raummoden. Sowohl in der klassischen Kommunikation als auch in der Quanten­kommunikation hat sich der Einsatz von Vortex-Moden in Multi­plexing-Verfahren als vorteilhaft erwiesen. Dieser spezielle Modensatz besitzt eine schrauben­förmige optische Phasenverteilung und ermöglicht einen zusätzlichen Freiheits­grad beim Multiplexen optischer Signale. Geräte wie Vortex-Generatoren, Laser und Signal­verstärker wurden entwickelt und sind seitdem sehr gefragt.

Limitierender Effekt bei der Nutzung ist, dass es bisher kein Gerät gibt, das die Übertragung bestimmter Wirbelmoden in einer Richtung, aber nicht in der Gegen­richtung erlaubt. Gerade ein solches Gerät – ein optischer Wirbelisolator – ist jedoch von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der Signal­qualität und -reinheit. Die besondere Schwierigkeit bei der Entwicklung einer solchen Vorrichtung ist die Reziprozität. Es erfordert eine symmetrische Antwort eines Übertragungskanals, wenn die Quell- und Beobachtungs­punkte vertauscht werden. Hier ist den Wissenschaftlern nun mit der Entwicklung eines unidirek­tionalen Bauelements der Durchbruch gelungen: Das Team nutzt Schallwellen, die sich in nur eine Richtung ausbreiten, um die Rezi­prozität der Licht­übertragung für ausgewählte Wirbelmoden zu brechen.

Der Effekt der topologie­selektiven Brillouin-Mandelstam-Streuung in chiralen photonischen Kristall­fasern ermöglicht eine unidirektionale Wechsel­wirkung von wirbel­tragenden Lichtwellen mit wandernden Schallwellen. Ein bestimmter optischer Wirbel kann mit einem gut konzipierten Kontroll­licht stark unterdrückt oder verstärkt werden. Die experimentellen Ergebnisse zeigen eine signifikante Wirbel­isolationsrate, die es erlaubt, zufällige Rückstreuung und Signal­verschlechterung im System zu verhindern.

„Dies ist das erste nicht-reziproke System für Wirbelmoden, das eine neue Perspektive in der nicht-reziproken Optik eröffnet – der gleiche physikalische Effekt kann nicht nur bei den Grundmoden, sondern auch bei Moden höherer Ordnung auftreten“, sagt Xinglin Zeng. „Der licht­getriebene optische Wirbel­isolator wird große Auswirkungen auf Anwendungen wie optische Kommunikation, Quanten­informations­verarbeitung, optische Pinzetten und Faserlaser haben. Ich finde die Möglichkeit der selektiven Manipulation von Wirbelmoden allein durch Licht- und Schallwellen ein sehr faszi­nierendes Konzept“, sagt Birgit Stiller, die Leiterin der Forschungsgruppe Quanten­optoakustik.

MPL / JOL

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