锥形光纤解决了布里渊散射带来的挑战

​罗切斯特大学研究人员创造的锥形光纤实现了与长寿命声波的强光-声相互作用。来自: 徐文道

当由光子组成的光束穿过纤维时，它们引起振动，产生由声子组成的声波。这种现象被称为布里渊散射，已经被研究人员利用来对声波和光波进行光学机械 "耦合"。这种耦合允许由光子携带的信息被转达或转换为声子，而声子的传播速度比光波慢近一百万倍。

光声耦合使研究人员能够更容易地阅读和操纵转换后的信息。然而，迄今为止，研究人员所使用的许多布里渊散射技术依赖于标准光纤的几何形状，它导致声波迅速消失，限制了耦合的功效。

现在，罗切斯特大学的研究人员使用一种具有微米级腰部的光纤，证明了如何将传播中的光波和长寿命的声波耦合起来，并产生强烈的光-声相互作用。

"罗切斯特大学光学研究所助理教授William Renninger研究小组的博士生Wendao Xu说："这是一种独特的、理想的组合，以前没有实现过。徐是《Optica》上一篇描述这一突破的论文的主要作者。

这一突破使光脉冲携带的信息能够暂时储存在缓慢传播的声波中，足以让第二个光脉冲 "读取 "该信息。该成果可应用于光存储、射频光子学过滤和光延迟线。

这项研究在马克斯-普朗克光科学研究所举办的WOMBAT 2022年光力学和布里渊散射研讨会上获得了最佳演讲奖，该研究由共同作者Arjun Iyer（也是Renninger实验室的博士生）发表。

"Renninger说："Wendao、Arjun和我们在东京大学的合作者在展示这个新平台的前景方面做得很好，当我们开始专注于下一代设备和现实世界的应用时，我们都很兴奋。

光纤维中的布里渊散射：克服挑战

"声波的振幅在其传播过程中不断减少，"徐解释说。"基本上，人们现在处理的所有高影响的布里渊散射都会产生强相互作用，但声波的频率很高，在千兆赫范围内。频率越高，波在消亡前实际能走的时间越短。"

徐的锥形光纤装置同时实现了强相互作用和更长的声学寿命。它由一个去除包层（涂层）的多模玻璃纤维组成。通过加热光纤的中心，同时在两端施加机械张力来拉伸光纤，徐和他的合作者在光纤中产生了一个紧密的、对称的 "腰"。

该腰部提供了 "一个理想的光机械重叠，产生了迄今为止从光纤锥体观察到的最强的布里渊耦合强度，并可与任何系统的最大光机械耦合强度相媲美"，论文指出。

此外，该设备产生的声子的寿命--大约2微秒--足够长，在第二个光脉冲读取信息之前，光脉冲所携带的信息可以暂时储存在这个缓慢传播的声波中，时间相对较长。

一个锥形的光纤装置

据Iyer说，徐的成就有两个方面。"他说："一个是系统，即锥形光纤装置，它支持一种人们以前并不重视的声波家族。"另一个是过程本身，利用两种不同的光学空间模式之间的相互作用来获得我们想要的东西。"

他说，这个过程--包括实现长声子寿命的强相互作用所涉及的物理学--可以立即被调整和应用于改进现有技术。例如，在光子过滤器中检测和过滤掉不需要的无线电频率，或产生光纤传输延迟以补偿光纤系统中的延迟差异。

另一方面，锥形光纤系统虽然对研究很有用，但对于实验室外的实际应用来说可能太脆弱了，Iyer说。"他说："这些是微米级的玻璃丝，只是挂在那里。

然而，研究人员已经在探索如何将该系统打包用于现实世界的应用，Iyer说。

更多信息：Wendao Xu等人，与长寿命基本声波的强光机械相互作用，Optica（2022）。doi: 10.1364/optica.476764

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