研究人员通过调整后向散射改善光学数据传输

伊利诺伊大学的工程师们已经找到了一种方法，可以改变失配光波的方向，以减少光数据传输过程中的能量损失。在一项研究中，研究人员利用光波和声波之间的相互作用来抑制光从材料缺陷中的散射，这种散射可以改善光纤通信。他们的发现发表在《光学杂志Optica》上。

光波在遇到障碍物时会散射，无论是窗户上的裂缝还是光缆上的微小缺陷。研究人员说，大部分光线从系统中散射出去，但其中一些光线又向光源散射，这种现象称为反向散射。

领导这项研究的机械科学与工程教授Gaurav Bahl说：“没有完美的材料。我们在任何工程技术中使用的材料总是有一点瑕疵和一点随机性。例如，用于远程数据传输的最完美的光纤可能仍然存在一些看不见的缺陷。这些缺陷可能是制造的结果，也可能随着时间的推移，由于材料的热变化和机械变化而出现。最终，这种缺陷为任何光学系统设置了性能限制。”

一些以前的研究表明，在具有某些磁性的特殊材料中，不希望出现的后向散射可以被抑制。然而，对于今天使用透明、非磁性材料如硅或硅玻璃的光学系统来说，这些都不是可行的选择。

上图所示为机械科学与工程教授Gaurav Bahl和研究生Seunghwi Kim证实，后向散射光波可以被抑制，以减少光通信系统中的数据损失。

在这项新的研究中，Bahl和研究生SeunghwiKim使用光与声波的相互作用来控制后向散射，而不是磁场。

Bahl说：“光波以相同的速度通过大多数材料，无论是前进还是后退，都不受方向的影响。但是，通过一些方向敏感的光-机械相互作用，我们可以打破这种对称性，有效地抑制后向散射。这就像创建一个单向镜像。通过阻止光波的后向传播，当遇到散射体时，它无处可去，只有继续向前移动才能选择。”

为了证明这一现象，研究小组将光波送入一个由石英玻璃制成的称为微谐振器的小球中。在内部，光线像滚道一样沿着圆形路径传播，一次又一次地遇到硅中的缺陷，放大了后向散射效应。然后，研究小组使用第二束激光束只在后向上进行光声相互作用，从而阻止光向后散射的可能性。尽管谐振器中存在缺陷，原本会损失的能量仍在继续向前移动。

Bahl说：“能够阻止后向散射是很重要的，但是一些光仍然会丢失到侧面散射，而科学家们对此没有控制。因此，在这个阶段，这种进步是非常微妙的，只有在窄带上才有用。但是，简单地验证一下，我们可以抑制像硅玻璃一样常见的材料中的后向散射，这表明我们可以生产更好的光纤电缆，甚至可以继续使用已经在世界海洋底部使用的旧的、受损的电缆，而不是必须更换它。”

尝试光纤光缆的实验将是证明这种现象在光纤通信所需的带宽上是下一步可能进行的研究尝试。

Bahl说：“我们所探索的原则以前就有过。这里的真实情况是，我们已经证实，后向散射可以通过简单的玻璃来抑制，利用光学材料中可用的光-机械相互作用。我们希望其他研究人员也能在他们的光学系统中研究这一现象，以进一步推进这项技术。”

原文来源：https://phys.org/news/2019-08-backscattering-aim-optical-transmission.html