Физики нашли способ повысить эффективность оптоволокна с жидким сердечником в 1000 раз

❋ 4.1

Международная группа ученых решила заморозить оптоволокно с жидким сердечником для создания резких фазовых переходов. Эксперименты показали, что этот подход открывает новые возможности для нейроморфных вычислений.

Физика

# акустические волны

# волоконная оптика

# нелинейная оптика

# оптика

# оптоволокно

# преломление света

Художественное представление оптоволокна с замороженным сердечником / © Philipp Denghel

При смене фазового состояния вещества его свойства заметно изменяются. Лава остывает и превращается в твердый камень, замороженная резиновая подошва обуви становится хрупкой, пары этилового спирта воспламеняются легче, чем жидкая фаза. Изменяются физические, электрические и механические свойства вещества, индекс преломления и плотность, а значит, и то, как свет проходит через вещество.

Оптоволокно получают вытягивая из расплавленного стекла тонкую нить. По сердечнику оптоволокна инженеры научились быстро передавать свет на длинные дистанции. Но это не единственный тип оптоволокна. Для детекторов, волоконных лазеров и эндоскопов используют пустотелое оптоволокно. Пустой сердечник специалисты заполняют разными газами и жидкостями. Эта система может работать как маленькая химическая лаборатория или точный термометр.

Международная группа исследователей разработала новый тип оптоволокна. Они заморозили оптическое волокно с жидким сердечником в азоте. В результате система смогла значительно превзойти обычное оптоволокно по эффективности. Статья об этом опубликована в журнале Optica.

«Важнее всего то, что замороженная часть сердечника продолжала проводить оптический сигнал. Более того, и жидкая, и затвердевшая части способны проводить сверхзвуковые волны», — высказал мнение один из авторов исследования Саймон Зайдерер (Simon Seiderer).

Новое волокно состоит из кварцевого стекла с полостью внутри, в ней заключен жидкий сероуглерод CS₂. Физики замораживали его до 77 кельвин для экспериментов. В системе проявилось рассеяние Мандельштама — Бриллюэна, хорошо изученное для традиционного оптического волокна. Это означает, что свет и звук в выбранной среде сильно связаны друг с другом.

Ученые считают, что фазовый переход в среде создает плотную, содержащуюся в небольшом пространстве среду, где показатель преломления значительно меняется, вследствие чего возникают условия для гигантского усиления Бриллюэна. При таком эффекте оптическая волна значительно усиливается за счет взаимодействия с акустическими волнами.

Исследователи выяснили, что в замороженном волокне с жидким сердечником оптоакустическая связь, коэффициент усиления Бриллюэна, в 1000 раз больше, чем в стандартных оптических волокнах — больше 3000 Вт⁻¹·м⁻¹. Причем обычно для этого нужно длинное волокно, а в эксперименте использовали всего 27,5 сантиметра и лазер с низкой мощностью накачки (0,03 милливатта).

Физики также смогли сделать оптоакустическую память на основе нового волокна. Информация передается от быстрой световой волны к гораздо более медленным звуковым волнам, а затем преобразуется обратно в свет. Акустические волны слабее затухают и дольше распространяются, но при этом несут в себе информацию о породившем их световом излучении. При обратном преобразовании из звука в свет информацию можно считать. Разработка ученых снизит затраты энергии в фотонных нейроморфных вычислениях на волокне.

«Заморозив жидкий сердечник, мы создали совершенно новую физическую платформу, обеспечивающую экстремальные нелинейности при простоте работы. Хотя демонстрация высокоэффективной оптоакустической памяти — фантастический первый шаг, такой уровень связи света и звука открывает захватывающие новые возможности не только для нейроморфных вычислений, но и для квантовой обработки информации, микроволновой фотоники и высокоточного зондирования», — подытожил Стиллер.

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl + Enter.