Avanço na Transmissão de Informação Óptica

Cientistas do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz descobriramgerido pela primeira vez criar um dispositivo unidirecional que aumenta significativamente a qualidade de uma classe especial de sinais transmitidos em comunicações ópticas: vórtices ópticos. Ao transmitir modos de vórtice ópticos seletivos exclusivamente unidirecionalmente, o dispositivo desenvolvido reduz em grande parte a retrodifusão prejudicial ao mínimo. Os cientistas enfatizam a grande utilidade prática de sua descoberta em muitos sistemas ópticos, com aplicações que vão desde comunicações multiplexadas por divisão de modo, pinças ópticas, lasers de vórtice até sistemas de manipulação quântica.

A comunicação óptica pode ser melhorada aumentando a quantidade de informação óptica transmitida. Isso pode ser alcançado usando canais multiplexados, como muitos comprimentos de onda ópticos, diferentes estados de polarização ou vários intervalos de tempo. Na última década, os modos espaciais ópticos, que são os autocampos nos guias de onda, são amplamente explorados para melhorar ainda mais a capacidade de comunicação devido ao pouco crosstalk entre os modos espaciais ortogonais.

Tanto na comunicação clássica quanto na comunicação quântica, o uso de modos de vórtice em métodos de multiplexação provou ser vantajoso. Este conjunto de modo especial possui uma distribuição de fase óptica helicoidal e permite um grau adicional de liberdade para multiplexar sinais ópticos. Dispositivos como geradores de vórtice, lasers e amplificadores de sinal foram demonstrados e estão em grande demanda.

Um efeito limitante na aplicabilidade é que ainda não existe um dispositivo que permita a transmissão de certos modos de vórtice em uma direção, mas não na oposta. No entanto, apenas esse tipo de dispositivo - o chamado isolador de vórtice óptico - é de importância crucial para a melhoria da qualidade e pureza do sinal. A dificuldade particular em desenvolver tal dispositivo é um princípio fundamental da ótica: a reciprocidade. Requer uma resposta simétrica de um canal de transmissão quando a fonte e os pontos de observação são trocados.

Agora, uma equipe do Instituto Max Planck para a Ciência da Luz, liderada por Xinglin Zeng, Philip Russell e Birgit Stiller, alcançou um avanço que torna isso possível: eles usaram ondas sonoras que se propagam apenas em uma direção para quebrar a reciprocidade da transmissão de luz para modos de vórtice escolhidos. O efeito do chamado espalhamento Brillouin-Mandelstam seletivo de topologia em fibra de cristal fotônico quiral permite uma interação unidirecional de ondas de luz portadoras de vórtices com ondas de som que viajam. Um vórtice óptico específico pode ser fortemente suprimido ou amplificado com uma luz de controle bem projetada. Os resultados experimentais publicados na Science Advances mostram uma taxa de isolamento de vórtice significativa, evitando retroespalhamento aleatório e degradação do sinal no sistema.

"Este é o primeiro sistema não recíproco para modos de vórtice, que abre uma nova perspectiva em óptica não recíproca - o mesmo efeito físico pode acontecer não apenas nos modos fundamentais, mas também nos modos de ordem superior", diz Xinglin Zeng, o primeiro autor deste papel. "O isolador óptico de vórtice movido a luz terá grande impacto em aplicações como comunicações ópticas, processamento de informações quânticas, pinças ópticas e lasers de fibra. Acho a possibilidade de manipulação seletiva de modos de vórtice exclusivamente por ondas de luz e som muito fascinante conceito" diz Birgit Stiller, líder do Quantum Optoacoustics Research Group.

- Este comunicado de imprensa foi originalmente publicado no site da Max-Planck-Gesellschaft