Des chercheurs développent une méthode pour supprimer la rétrodiffusion, améliorant la transmission de données optiques

Université de l'Illinois à Urbana-Champaign, Champaign, IL

Des ingénieurs de l'Université de l'Illinois ont trouvé un moyen de rediriger les ondes lumineuses inadaptées pour réduire la perte d'énergie pendant la transmission de données optiques. Dans une étude, les chercheurs ont exploité une interaction entre les ondes lumineuses et sonores pour supprimer la diffusion de la lumière par les défauts de matériau — ce qui pourrait mener à une communication par fibre optique améliorée.

Le professeur en sciences mécaniques et ingénierie Gaurav Bahl, à gauche, et l'étudiant diplômé Seunghwi Kim ont confirmé que les ondes lumineuses rétrodiffusées peuvent être supprimées pour réduire la perte de données dans les systèmes de communication optique. (Photo courtoisie Julia Stackler)

Le problème de la diffusion de lumière

Les ondes lumineuses se diffusent quand elles rencontrent des obstacles, qu'il s'agisse d'une fissure dans une fenêtre ou d'un minuscule défaut dans un câble à fibre optique. Une grande partie de cette lumière se diffuse hors du système, mais une partie se diffuse vers la source — un phénomène appelé rétrodiffusion. Il y a toujours un peu d'imperfection et un peu d'aléatoire dans les matériaux utilisés dans toute technologie conçue. Par exemple, la fibre optique la plus parfaite utilisée pour la transmission de données à longue portée pourrait encore avoir des défauts invisibles. Ces défauts peuvent être le résultat de la fabrication, ou ils peuvent apparaître avec le temps en raison de changements thermiques et mécaniques du matériau. En fin de compte, de tels défauts fixent les limites de performance pour tout système optique.

Au-delà des matériaux magnétiques : interaction lumière-son

Quelques études précédentes ont montré que la rétrodiffusion indésirable peut être supprimée dans des matériaux spéciaux qui ont certaines propriétés magnétiques. Cependant, ce ne sont pas des options viables pour les systèmes optiques d'aujourd'hui qui utilisent des matériaux transparents, non magnétiques comme le silicium ou le verre de silice. Dans la nouvelle étude, les chercheurs ont utilisé une interaction de la lumière avec les ondes sonores, au lieu de champs magnétiques, pour contrôler la rétrodiffusion.

Les ondes lumineuses voyagent à travers la plupart des matériaux à la même vitesse indépendamment de la direction, qu'elle soit avant ou arrière. Mais, en utilisant certaines interactions opto-mécaniques sensibles à la direction, les chercheurs sont capables de briser cette symétrie et d'éteindre efficacement la rétrodiffusion. C'est comme créer un miroir à sens unique. En bloquant la propagation arrière d'une onde lumineuse, elle n'a nulle part où aller quand elle rencontre un diffuseur, et pas d'autre option que de continuer à avancer.

Démonstration dans un microrésonateur en silice

Pour démontrer ce phénomène, l'équipe a envoyé des ondes lumineuses dans une minuscule sphère faite de verre de silice, appelée microrésonateur. À l'intérieur, la lumière voyage le long d'un chemin circulaire comme un circuit de course, rencontrant des défauts dans la silice encore et encore, amplifiant l'effet de rétrodiffusion. L'équipe a ensuite utilisé un second faisceau laser pour engager l'interaction lumière-son dans la direction arrière seulement, bloquant la possibilité de diffusion de la lumière vers l'arrière. Ce qui aurait été de l'énergie perdue continue d'avancer, malgré les défauts dans le résonateur.

« Pouvoir arrêter la rétrodiffusion est significatif, mais une partie de la lumière est encore perdue par diffusion latérale, sur laquelle les scientifiques n'ont aucun contrôle », a déclaré le chercheur principal, le professeur Gaurav Bahl en sciences mécaniques et ingénierie. « L'avancement est donc très subtil à ce stade et n'est utile que sur une bande passante étroite. Cependant, simplement vérifier que nous pouvons supprimer la rétrodiffusion dans un matériau aussi commun que le verre de silice suggère que nous pourrions produire de meilleurs câbles à fibre optique ou même continuer à utiliser de vieux câbles endommagés déjà en service au fond des océans du monde, au lieu de devoir les remplacer. »

Essayer l'expérience dans un câble à fibre optique sera la prochaine étape pour montrer que ce phénomène est possible aux bandes passantes requises dans les communications par fibre optique. « Le principe que nous avons exploré a été vu avant », a dit Bahl. « La vraie histoire ici est que nous avons confirmé que la rétrodiffusion peut être supprimée dans quelque chose d'aussi simple que le verre, en utilisant une interaction opto-mécanique qui est disponible dans chaque matériau optique. Nous espérons que d'autres chercheurs examineront ce phénomène dans leurs systèmes optiques, aussi, pour faire avancer davantage la technologie. »

Pour plus d'informations, contactez Gaurav Bahl à cette adresse e-mail protégée.