研究人员成功构建光学涡流绝缘体

马克斯·普朗克光科学研究所的科学家们首次成功制造出一种单向装置，该装置显著提高了光通信中一类特殊传输信号的质量：光涡旋。

通过单向传输选择性光涡旋模式，该装置将有害的后向散射降至最低。科学家们强调了他们的发现在许多光学系统中的巨大实用价值，应用范围从模分复用通信和光镊到涡旋激光器和量子操作系统。

手性光子晶体纤维中拓扑选择性布里渊散射效应的可视化。线性箭头是传播方向，圆形箭头是圆形极化状态或涡流相位。

通过增加光信息的传输量，可以改进光通信。这可以通过使用多路复用通道来实现，例如使用许多光波长、不同的偏振状态或多个时隙。近十年来，由于正交空间模间的串扰很小，光空间模作为波导的特征场，被广泛应用于进一步提高通信能力。

在经典通信和量子通信中，在复用方法中使用涡旋模式已被证明是有利的。这种特殊的模式集具有螺旋光相位分布，并允许多路复用光信号的额外自由度。像涡旋发生器、激光器和信号放大器这样的设备被演示了，需求量很大。

目前还没有一种装置能够允许某些涡旋模式在一个方向上而不是相反方向上传播，这对其适用性造成了限制。然而，正是这种设备——所谓的光学涡旋隔离器——对于提高信号的质量和纯度至关重要。研制这种装置的特别困难在于光学的一个基本原理：互易。当源和观测点互换时，需要传输通道的对称响应。

研究人员成功构建了光学涡流绝缘体

现在，马克斯·普朗克光科学研究所的一个由曾兴林、菲利普·拉塞尔和比吉特·斯蒂勒领导的团队取得了一项突破，使这成为可能：他们使用只沿一个方向传播的声波，打破了选定的涡旋模式的光传输互易性。

手性光子晶体光纤中所谓的拓扑选择性布里洛因-曼尔斯塔姆散射效应允许涡旋光波与传播声波的单向相互作用。一个特定的光学涡旋可以被一个精心设计的控制光强烈地抑制或放大。发表在《科学进展》杂志上的实验结果表明，该系统具有显著的涡隔离率，防止了系统中的随机后向散射和信号退化。

这篇论文的第一作者曾兴林说：“这是涡旋模的第一个非互易系统，它为非互易光学开辟了一个新的视角——同样的物理效应不仅可以发生在基本模上，也可以发生在高阶模上。”

量子光声学研究小组的负责人Birgit Stiller说：“光驱动光涡旋隔离器将对光通信、量子信息处理、光镊、光纤激光器等应用产生重大影响。我发现光和声波选择性操纵旋涡模式的可能性是一个非常迷人的概念。”

审核编辑：彭静