研究人員成功構(gòu)建光學(xué)渦流絕緣體

馬克斯·普朗克光科學(xué)研究所的科學(xué)家們首次成功制造出一種單向裝置，該裝置顯著提高了光通信中一類特殊傳輸信號(hào)的質(zhì)量：光渦旋。

通過(guò)單向傳輸選擇性光渦旋模式，該裝置將有害的后向散射降至最低?？茖W(xué)家們強(qiáng)調(diào)了他們的發(fā)現(xiàn)在許多光學(xué)系統(tǒng)中的巨大實(shí)用價(jià)值，應(yīng)用范圍從模分復(fù)用通信和光鑷到渦旋激光器和量子操作系統(tǒng)。

手性光子晶體纖維中拓?fù)溥x擇性布里淵散射效應(yīng)的可視化。線性箭頭是傳播方向，圓形箭頭是圓形極化狀態(tài)或渦流相位。

通過(guò)增加光信息的傳輸量，可以改進(jìn)光通信。這可以通過(guò)使用多路復(fù)用通道來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如使用許多光波長(zhǎng)、不同的偏振狀態(tài)或多個(gè)時(shí)隙。近十年來(lái)，由于正交空間模間的串?dāng)_很小，光空間模作為波導(dǎo)的特征場(chǎng)，被廣泛應(yīng)用于進(jìn)一步提高通信能力。

在經(jīng)典通信和量子通信中，在復(fù)用方法中使用渦旋模式已被證明是有利的。這種特殊的模式集具有螺旋光相位分布，并允許多路復(fù)用光信號(hào)的額外自由度。像渦旋發(fā)生器、激光器和信號(hào)放大器這樣的設(shè)備被演示了，需求量很大。

目前還沒(méi)有一種裝置能夠允許某些渦旋模式在一個(gè)方向上而不是相反方向上傳播，這對(duì)其適用性造成了限制。然而，正是這種設(shè)備——所謂的光學(xué)渦旋隔離器——對(duì)于提高信號(hào)的質(zhì)量和純度至關(guān)重要。研制這種裝置的特別困難在于光學(xué)的一個(gè)基本原理：互易。當(dāng)源和觀測(cè)點(diǎn)互換時(shí)，需要傳輸通道的對(duì)稱響應(yīng)。

研究人員成功構(gòu)建了光學(xué)渦流絕緣體

現(xiàn)在，馬克斯·普朗克光科學(xué)研究所的一個(gè)由曾興林、菲利普·拉塞爾和比吉特·斯蒂勒領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)取得了一項(xiàng)突破，使這成為可能：他們使用只沿一個(gè)方向傳播的聲波，打破了選定的渦旋模式的光傳輸互易性。

手性光子晶體光纖中所謂的拓?fù)溥x擇性布里洛因-曼爾斯塔姆散射效應(yīng)允許渦旋光波與傳播聲波的單向相互作用。一個(gè)特定的光學(xué)渦旋可以被一個(gè)精心設(shè)計(jì)的控制光強(qiáng)烈地抑制或放大。發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》雜志上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有顯著的渦隔離率，防止了系統(tǒng)中的隨機(jī)后向散射和信號(hào)退化。

這篇論文的第一作者曾興林說(shuō)：“這是渦旋模的第一個(gè)非互易系統(tǒng)，它為非互易光學(xué)開(kāi)辟了一個(gè)新的視角——同樣的物理效應(yīng)不僅可以發(fā)生在基本模上，也可以發(fā)生在高階模上?！?/p>

量子光聲學(xué)研究小組的負(fù)責(zé)人Birgit Stiller說(shuō)：“光驅(qū)動(dòng)光渦旋隔離器將對(duì)光通信、量子信息處理、光鑷、光纖激光器等應(yīng)用產(chǎn)生重大影響。我發(fā)現(xiàn)光和聲波選擇性操縱旋渦模式的可能性是一個(gè)非常迷人的概念?！?/p>