研究者たち、バック散乱抑制法を開発し光データ伝送を強化

イリノイ大学アーバナ・シャンペーン校、シャンペーン、IL

イリノイ大学のエンジニアたちは、ミスフィット光波をリダイレクトして光データ伝送中のエネルギー損失を減らす方法を見つけました。ある研究で、研究者たちは光と音波の相互作用を利用して、物質欠陥からの光の散乱を抑制しました。これは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Gaurav Bahl（左）と大学院生Seunghwi Kimが、バック散乱光波を抑制して光通信システムのデータ損失を減らせることを確認。（写真提供：Julia Stackler）

光波は、窓のひび割れや光ファイバーケーブルの微小な欠陥など、障害物に遭遇すると散乱します。その光の多くはシステム外へ散乱しますが、一部は光源へ向かって後方へ散乱します。この現象をバック散乱と呼びます。あらゆる工学技術で使用される材料には、常にわずかな不完全さとランダムさがあります。例えば、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でさえ、目に見えない欠陥を持つ可能性があります。これらの欠陥は製造の結果であるか、材料への熱的・機械的変化の結果として時間とともに現れることがあります。最終的に、こうした欠陥があらゆる光学システムの性能限界を設定します。

いくつかの以前の研究では、特定の磁気特性を持つ特殊材料では望ましくないバック散乱を抑制できることが示されてきました。しかし、これらはシリコンやシリカガラスのような透明で非磁性の材料を使用する今日の光学システムには実行可能な選択肢ではありません。新しい研究では、研究者たちは磁場ではなく、光と音波の相互作用を使ってバック散乱を制御しました。

光波は、前方であれ後方であれ、ほとんどの材料を同じ速度で通過します。しかし、方向に敏感な光・力学的相互作用を使うことで、研究者たちはその対称性を破り、効果的にバック散乱をシャットダウンできます。これは片道ミラーを作るようなものです。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、光は他に行く場所がなく、前方へ進み続ける以外の選択肢がなくなります。

この現象を実証するため、チームはシリカガラスで作られた微小な球、マイクロ共振器に光波を送り込みました。内部では、光がレーストラックのように円形経路を移動し、シリカの欠陥に繰り返し遭遇し、バック散乱効果を増幅させます。チームは第2レーザービームを使って、後方方向のみで光・音相互作用をエンゲージし、光が後方へ散乱する可能性をブロックしました。共振器の欠陥にもかかわらず、失われていたはずのエネルギーが前方へ進み続けます。

「バック散乱を止められることは重要ですが、一部の光はまだサイド散乱で失われます。これは科学者たちが制御できません」と主任研究者、機械科学工学教授Gaurav Bahl氏は述べています。「したがって、この進歩は現段階では非常に微妙で、狭い帯域幅でのみ有用です。しかし、ガラスのような一般的な材料でバック散乱を抑制できることを単純に検証できたことは、より良い光ファイバーケーブルを生産できるか、あるいは世界の海底にすでに敷設されている古い損傷ケーブルを、交換する代わりに使い続けられる可能性を示唆しています。」

光ファイバーケーブルで実験を試みることは、この現象が光ファイバー通信に必要な帯域幅で可能であることを示す次のステップになります。「私たちが探求した原理は以前から見られてきました」とBahl氏は言います。「ここでの本当のストーリーは、ガラスのようなシンプルなもので、あらゆる光学材料で利用可能な光・力学的相互作用を使ってバック散乱を抑制できることを確認したことです。他の研究者たちも自分の光学システムでこの現象を調べ、技術をさらに前進させてくれることを望みます。」

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。表示にはJavaScriptが必要です。