研究者が後方散乱を抑制し、光データ伝送を強化する方法を開発

イリノイ大学アーバナシャンペーン校、イリノイ州シャンペーン

イリノイ大学のエンジニアは、光データ伝送中のエネルギー損失を減らすために、不適合な光波の方向を変える方法を発見しました。研究者らはある研究で、光と音波の相互作用を利用して、材料の欠陥による光の散乱を抑制しました。これにより、光ファイバー通信の改善につながる可能性があります。

機械科学工学教授のガウラフ・バール氏（左）と大学院生のスンフィ・キム氏は、後方散乱光波を抑制して光通信システムにおけるデータ損失を削減できることを確認した。 (写真提供：ジュリア・スタックラー)

光波は、窓の亀裂や光ファイバーケーブルの小さな傷などの障害物に遭遇すると散乱します。その光の多くは系の外に散乱しますが、一部は光源に向かって散乱して戻ります。これは後方散乱と呼ばれる現象です。あらゆる工学技術で使用される材料には、常に少しの不完全さや少しのランダムさが存在します。たとえば、長距離データ伝送に使用される最も完璧な光ファイバーにも、目に見えない欠陥がいくつかある可能性があります。これらの欠陥は、製造の結果である場合もあれば、材料の熱的および機械的変化の結果として時間の経過とともに現れる場合もあります。最終的に、このような欠陥は光学システムのパフォーマンスの限界を設定します。

これまでのいくつかの研究では、特定の磁気特性を持つ特殊な材料で望ましくない後方散乱を抑制できることが示されています。ただし、これらは、シリコンや石英ガラスなどの透明な非磁性材料を使用する今日の光学システムにとっては実行可能な選択肢ではありません。新しい研究では、研究者らは磁場の代わりに光と音波の相互作用を利用して後方散乱を制御しました。

光波は、前方または後方の方向に関係なく、ほとんどの物質を同じ速度で通過します。しかし、方向に敏感な光機械的相互作用を利用することで、研究者らはその対称性を破り、後方散乱を効果的に遮断することができた。マジックミラーを作成するようなものです。光波の後方伝播をブロックすることで、散乱体に遭遇したときに光波は行き場を失い、前方に進み続ける以外に選択肢はありません。

この現象を実証するために、研究チームは、微小共振器と呼ばれる石英ガラスでできた小さな球に光波を送りました。内部では、光はレーストラックのような円形の経路に沿って進み、シリカ内の欠陥に何度も遭遇し、後方散乱効果を増幅させます。次にチームは、2番目のレーザービームを使用して光と音の相互作用を後方方向のみに作用させ、光が後方に散乱する可能性をブロックしました。共振器に欠陥があるにもかかわらず、失われたはずのエネルギーは前進し続けます。

「後方散乱を阻止できることは重要ですが、光の一部は依然として側方散乱によって失われており、科学者はそれを制御できません」と主任研究者で機械科学工学教授のガウラフ・バール氏は述べた。 「したがって、現段階ではこの進歩は非常に微妙であり、狭い帯域幅でのみ有用です。しかし、シリカガラスのような一般的な材料で後方散乱を抑制できることを単純に検証することは、より優れた光ファイバーケーブルを製造することもできるし、すでに世界の海底で使用されている古い損傷したケーブルを交換せずに使い続けることもできることを示唆しています。」

光ファイバー通信で必要な帯域幅でこの現象が起こり得ることを示す次のステップは、光ファイバーケーブルでの実験です。 「私たちが検討した原理は以前にも見られたものです」とバール氏は語った。 「ここでの本当の話は、あらゆる光学材料で利用できる光機械相互作用を利用して、ガラスのような単純なものでも後方散乱を抑制できることを確認したということです。技術をさらに進歩させるために、他の研究者が自分たちの光学システムでもこの現象を調べてくれることを願っています。」

詳細については、Gaurav Bahl までお問い合わせください。このメール アドレスはスパムボットから保護されています。表示するには JavaScript を有効にする必要があります。