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通过抑制声波无序的新技术,来改善光纤通信

编辑:博阳新科技 发表时间:2017-8-8

已知由于材料缺陷的散射引起的能量损失限制了我们用于通信,定时和导航的几乎所有技术的性能。在微机械陀螺仪和加速度计中,如今天手机中常见的那些,微结构紊乱会影响传感器的测量漂移和整体精度,类似于一个脏的小提琴弦可能会影响到他们欣赏美丽的音乐。在光纤通信系统中,材料缺陷的散射可以在长距离上降低数据保真度,从而减少可实现的带宽。

由于无缺陷材料无法获得,我们如何可以改善无序的基本技术限制?伊利诺伊州厄巴纳香槟大学,国家标准与技术研究所和马里兰大学之间的研究合作揭示了一种新技术,可以根据需要抑制材料中无序声波的散射。所有这一切,可以通过用适当的激光颜色照亮来简单地实现。结果发表在自然通讯中,可能对传感器和通信系统产生广泛的影响。机械科学与工程助理教授及其研究团队一直在研究固态微谐振器中光与声音的相互作用。

这个新结果是他的团队在过去几年里进行的一系列实验的结果,并在正确的地方提出了一个新的科学问题。解释谐振器可以被认为是声光回波室,并且可以像我们研究中使用的像玻璃一样简单的微球形玻璃。我们的研究界长期以来一直认为,光可以用来通过各种光学力量在谐振器中产生和放大声波,谐振回波有助于增加声音。光线和物质混乱之间的相互作用时间,从而使这些微妙的效果更容易观察和控制。因为共振器内的相互作用与其他任何系统中的相互作用根本没有区别,这些可以是一个非常紧凑的平台,用于探索潜在的物理学。

抑制无序散射的关键是引起原始和散射方向之间的传播失配。这个想法类似于电流如何优选沿着最小电阻的路径流动,或者如何更好地流过更宽的管道而不是狭窄的管道。为了抑制向前移动的声波的反向散射,必须在向后的方向上产生大的声阻抗。正向和反向传播波的这种不对称被称为介质的手性。大多数固态体系不具有手性性质,但这些性质可以通过磁场或介质的时空变化来诱导。几年前,我们发现使用光机械现象可以诱导手性,其中光与传播的声波耦合并使介质透明。我们的实验表明,诱导的光学透明度仅允许光单向移动,也就是,它在一个方向上产生优先低的光阻抗。

那就是我们遇到了我们的协调者雅各布·泰勒,他是的物理学家,他问我们一个简单的问题,这样一个系统的声波会怎么样?泰勒我们的理论模型预测,拥有声音传播的手性系统可以抑制可能由无序引起的任何反向散射。这个概念源于我们在过去几年中一直在做的研究光的拓扑保护的工作,其中手性传播是提高设备性能的关键特征。最初,团队的计划只是为了显示正向和反向传播的声波,使用光产生的冷却效果,但系统令人惊讶的是比预期更强大的实际效果。

这个简单的问题就是在以前没有探索过的方向上开展了一项新的多年研究工作。研究团队密切合作,发现布里渊光散射是一种特定类型的光机械相互作用,也可能引起声波的手性。在实验室的实验工具和泰勒实验室的理论进步之间,这些难题已经到位了。我们通过在石英玻璃谐振器中沿顺时针方向循环激光场来实验制备手性光学机械系统,激光波长或颜色被特别设计成仅引起顺时针声波的光学阻尼,从而产生大的声阻抗不匹配顺时针方向和逆时针方向之间的传播方向,研究的第一作者解释。

顺时针方向传播的声波由于光机械冷却效应而经历了很大的损失,逆时针方向移动的声波可以自由移动,令人惊讶的是,我们看到逆时针声音的散射损耗大大减少波浪,因为这些波浪不能再顺时针方向散射!换句话,正如声音是人类之间语音通信的主要方法一样,诸如无线电和光之类的电磁波是用于全球通信的主要技术。这个发现对通信业来意味着什么?障碍和材料缺陷是不可避免的光纤系统,导致较低的数据保真度,位错误和带宽限制。该团队认为,基于这一发现的技术可以用来规避这种系统中不可避免的材料缺陷的影响。

泰勒补充我们已经看到,许多传感器,例如手机或汽车中的传感器,都受到材料内在缺陷的限制。这里介绍的方法提供了一个简单的方法来规避这些挑战,甚至可以帮助我们处理量子力学设定的限制,而不是我们自己的工程挑战。这个结果的实际应用可能不会太多年了。减少机械损失也可以直接改善我们今天使用的基于力学的惯性导航传感器。

我们在日常生活中遇到的例子是加速度计和陀螺仪,我们的手机没有这种能力,而且我们的汽车和飞机安全性要低得多。

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