Заморозка жидкого сердечника оптоволокна повысила эффективность в 1000 раз

Международная группа ученых разработала новый тип оптоволокна, которое способно передавать свет и звук с уникальной эффективностью. Исследователи заморозили оптическое волокно с жидким сердечником, заполненным сероуглеродом (CS₂), до температуры 77 кельвин. В результате им удалось добиться коэффициента усиления Бриллюэна более 3000 Вт⁻¹·м⁻¹, что в тысячу раз превышает обычные показатели. Статья опубликована в журнале Optica.

Как работает замороженное оптоволокно

Обычное оптоволокно изготавливают из расплавленного стекла, вытягивая тонкую нить. Однако существует и другой тип — пустотелое оптоволокно, полость которого заполняют газами или жидкостями. Такие волокна применяются в детекторах, волоконных лазерах и эндоскопах. В новой работе физики использовали кварцевое стекло с полостью, содержащей жидкий сероуглерод, и заморозили его. Несмотря на фазовый переход, замороженная часть продолжала проводить оптический сигнал, а также сверхзвуковые волны.

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

Гигантское усиление Бриллюэна

В системе проявилось рассеяние Мандельштама — Бриллюэна, хорошо известное в традиционной волоконной оптике. Этот эффект означает сильную связь между светом и звуком в среде. При фазовом переходе в сердечнике создается плотная среда, где показатель преломления резко меняется, что приводит к гигантскому усилению Бриллюэна. В результате оптическая волна усиливается за счет взаимодействия с акустическими волнами.

Ученые выяснили, что в замороженном волокне оптоакустическая связь в 1000 раз сильнее, чем в стандартных волокнах. При этом для эксперимента потребовалось всего 27,5 сантиметра волокна и лазер с мощностью накачки 0,03 милливатта — в обычных условиях потребовалось бы гораздо более длинное волокно.

Оптоакустическая память и нейроморфные вычисления

Физикам также удалось создать на основе нового волокна оптоакустическую память. Информация передается от световой волны к звуковой, которая затухает слабее и сохраняется дольше, а затем может быть преобразована обратно в свет. Это позволяет снизить затраты энергии в фотонных нейроморфных вычислениях на волокне.

«Заморозив жидкий сердечник, мы создали совершенно новую физическую платформу, обеспечивающую экстремальные нелинейности при простоте работы, — отметил соавтор работы Стиллер. — 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».