Sci. Adv. | 声波打破光学传输互易性

手性光子晶体光纤中的“拓扑选择性布里渊散射”效应。

一般地，光的传输在正反两个方向上具有相同的性质。现在，德国Max Planck光科学研究所的研究人员提出并搭建了一种利用声波打破光学对称性的装置，其可以减少反向散射等不利的光学现象。本工作首次证实了新设备能够对光通信中广泛使用的选择性涡旋光产生有效调控，它还可以应用于光镊，以及基于涡旋光的激光器等领域。相关研究成果目前已发表于Science Advances。

在涡旋光束中，光束的波前围绕光轴中心旋转形成螺旋状，光轴上强度为零。这种螺旋的产生是因为光自有的轨道角动量 (OAM)。 与自旋角动量不同，轨道角动量表现为极化，于 1992 年被首次发现。

由于可以在 OAM 中对信息进行编码，因此涡旋光在多路复用的光通信方面表现出很大的潜力。多路复用是将多个光信号沿单根光纤发送的过程，并需要将不同通路之间的干扰或其他不利影响降低到最小。 然而，目前对制造仅沿一个方向传播的涡旋模光通信设备一直备受挑战。 这是由于光学互易性，即光信号能够通过光纤在两个方向上自由传播。 这种双向光信号会导致反向散射等问题，从而降低传输信号的强度。

声波调控光波

Max Planck光科学研究所Zeng Xinglin的研究团队使用传播的声波，能够针对特定的涡旋模式打破光学传输互易性。具体地，本研究使用声波，通过拓扑选择性受激Brillouin-Mandelstam 散射之间的相互作用来操纵手性光子晶体光纤中的光波。研究人员表示，当声波沿一个方向传播时，它们自然会为光声相互作用引入非互易行为。 通过这种方式，OAM 模式可以被强烈地抑制或放大，防止随机反向散射，从而最大限度地减少信号衰减。

通过调整控制信号的频率，新设备可以被重新装配到光学放大器或光学涡旋隔离器中。 实验上，研究人员实现了使用 22 分贝声波的涡旋隔离，实验结果与基于Brillouin-Mandelstam 散射的基模隔离实现的最佳效果相当。

新设备证实了通过光波和声波选择性操纵涡旋模式的可能性，其潜在应用还包括基于 OAM 的量子通信和纠缠，以及使用 OAM 模式（包括基本和高阶）来增加通信信道容量的经典光通信领域。下一步，研究人员计划研究更多具有不寻常结构的奇异声波的调控结果，以及研究其与手性光纤中的光相互作用过程。