Durchbruch in der optischen Informationsübertragung

Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für die Wissenschaft des Lichts habenzum ersten Mal geschafft ein unidirektionales Gerät zu schaffen, das die Qualität einer speziellen Klasse übertragener Signale in der optischen Kommunikation deutlich erhöht: optische Wirbel. Durch die ausschließlich unidirektionale Übertragung selektiver optischer Wirbelmoden reduziert das entwickelte Gerät die schädliche Rückstreuung weitgehend auf ein Minimum. Die Wissenschaftler betonen den großen praktischen Nutzen ihrer Entdeckung in vielen optischen Systemen, deren Anwendungen von Modenmultiplex-Kommunikation, optischen Pinzetten, Wirbellasern bis hin zu Quantenmanipulationssystemen reichen.

Die optische Kommunikation kann verbessert werden, indem die Menge der übertragenen optischen Informationen erhöht wird. Dies kann durch die Verwendung gemultiplexter Kanäle erreicht werden, beispielsweise durch die Verwendung vieler optischer Wellenlängen, unterschiedlicher Polarisationszustände oder mehrerer Zeitschlitze. Im letzten Jahrzehnt wurden optische Raummoden, die Eigenfelder in den Wellenleitern, in großem Umfang genutzt, um die Kommunikationskapazität aufgrund des geringen Übersprechens zwischen orthogonalen Raummoden weiter zu verbessern.

Sowohl in der klassischen Kommunikation als auch in der Quantenkommunikation hat sich die Verwendung von Vortex-Moden in Multiplexverfahren als vorteilhaft erwiesen. Dieser spezielle Modussatz verfügt über eine helikale optische Phasenverteilung und ermöglicht einen zusätzlichen Freiheitsgrad für das Multiplexen optischer Signale. Geräte wie Wirbelgeneratoren, Laser und Signalverstärker wurden vorgeführt und erfreuen sich großer Nachfrage.

Einschränkend für die Anwendbarkeit ist, dass es bisher kein Gerät gibt, das die Übertragung bestimmter Wirbelmoden in eine Richtung, nicht aber in die entgegengesetzte Richtung ermöglicht. Allerdings ist gerade ein solches Gerät – ein sogenannter optischer Vortex-Isolator – von entscheidender Bedeutung für die Verbesserung der Signalqualität und -reinheit. Die besondere Schwierigkeit bei der Entwicklung eines solchen Geräts liegt in einem Grundprinzip der Optik: der Reziprozität. Es erfordert ein symmetrisches Verhalten eines Übertragungskanals, wenn die Quelle und die Beobachtungspunkte vertauscht werden.

Jetzt gelang einem Team am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts unter der Leitung von Xinglin Zeng, Philip Russell und Birgit Stiller ein Durchbruch, der dies möglich macht: Sie nutzten Schallwellen, die sich nur in eine Richtung ausbreiten, um die Reziprozität der Lichtübertragung zu brechen ausgewählte Wirbelmodi. Der Effekt der sogenannten topologieselektiven Brillouin-Mandelstam-Streuung in chiralen photonischen Kristallfasern ermöglicht eine unidirektionale Wechselwirkung von wirbeltragenden Lichtwellen mit wandernden Schallwellen. Mit einem gut konzipierten Kontrolllicht kann ein bestimmter optischer Wirbel stark unterdrückt oder verstärkt werden. Die in Science Advances veröffentlichten experimentellen Ergebnisse zeigen eine signifikante Wirbelisolationsrate, die zufällige Rückstreuung und Signalverschlechterung im System verhindert.

„Dies ist das erste nichtreziproke System für Wirbelmoden, das eine neue Perspektive in der nichtreziproken Optik eröffnet – der gleiche physikalische Effekt kann nicht nur bei den Grundmoden, sondern auch bei Moden höherer Ordnung auftreten“, sagt Xinglin Zeng, der Erstautor dieses Buches Papier. „Der lichtbetriebene optische Wirbelisolator wird große Auswirkungen auf Anwendungen wie optische Kommunikation, Quanteninformationsverarbeitung, optische Pinzetten und Faserlaser haben. Ich finde die Möglichkeit der selektiven Manipulation von Wirbelmoden allein durch Licht- und Schallwellen sehr faszinierend.“ Konzept", sagt Birgit Stiller, Leiterin der Quantum Optoacoustics Research Group.

- Diese Pressemitteilung wurde ursprünglich auf der Website der Max-Planck-Gesellschaft veröffentlicht