20.01.2021 • Photonik

Aus Licht wird Dunkelheit

Zusätzliche Streuungsquelle verringert Rückstreuung in Mikroresonatoren.

Mikroresonatoren sind kleine Strukturen aus Glas, in denen Licht zirkulieren und sich dadurch verstärken kann. Allerdings streuen kleinste Unebenheiten im Material einen Teil des Lichts ständig zurück, was die die Funktion der Resonatoren einschränkt. Wissenschaftlern ist es jetzt gelungen, diesen Störeffekt weitgehend zu unterdrücken. Ihre Erkenntnisse können viele Anwendungen der Mikroresonatoren verbessern: in Feldern wie der Messtechnik, etwa genauere Sensoren für Drohnen, bis hin zur optischen Informationsverarbeitung in Glasfasernetzen und Computern.

Abb.: Ein optischer Mikroresonator und eine scharfe Wolframspitze. Durch... — Abb.: Ein optischer Mikroresonator und eine scharfe Wolframspitze. Durch die Position der Spitze lässt sich die Menge der Rückreflexionen steuern. Das Team konnte die intrinsische Rückstreuung damit auf ein Tausendstel reduzieren. (Bild: A. Svela, Imperial College London)

Um den unerwünschten Effekt zu verringern, ließ sich das deutsch-britische Team von Noise-Cancelling-Kopfhörern inspirieren. „In diesen Kopfhörern wird phasenverschobener Schall abgespielt, um unerwünschte Hintergrundgeräusche zu unterdrücken“, erklärt Andreas Svela vom Imperial College London. „In unserem Fall nutzen wir phasenverschobenes Licht, um das rückreflektierte Licht zu unterdrücken.“

Um das phasenverschobene Licht zu erzeugen, nutzen die Wissenschaftler eine scharfe Spitze aus Wolfram in der Nähe der Oberfläche des Mikroresonators. Genau wie die intrinsischen Unebenheiten erzeugt auch die Metallspitze Rückstreuung. Aber es gibt einen wichtigen Unterschied: Die Phase des Lichts, das von der Metallspitze reflektiert wird, lässt sich durch deren Position kontrollieren und verändern. Das ermöglicht es den Forschern, das durch die Metallspitze reflektierte Licht so mit der Rückstreuung im Ring wechselwirken zu lassen, dass sich die Reflexionen gegenseitig aufheben – sie erzeugen Dunkelheit mit Licht.

„Es ist nicht intuitiv, dass wir die Rückstreuung verringern können, indem wir eine zusätzliche Streuungsquelle hinzufügen“, sagt Gruppenleiter Pascal Del’Haye vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts. Die Arbeit des Teams zeigt eine rekordverdächtige Verringerung von über 30 Dezibel im Vergleich zur intrinsischen Rückstreuung. Anders ausgedrückt: die Methode reduziert die unerwünschten Effekte auf ein Tausendstel.

„Diese Ergebnisse sind von großer Bedeutung, da sich die Methode bei sehr vielen existierenden und künftigen Technologien anwenden lässt, die mit Mikroresonatoren arbeiten“, sagt Michael Vanner vom Imperial College London. Beispielsweise kann die Technik dazu beitragen, bessere Gyroskope herzustellen. Auch tragbare optische Spektroskopie-Systeme können damit verbessert werden. Das eröffnet neue Möglichkeiten wie etwa Sensoren in Smartphones, die gefährliche Gase erkennen oder die Qualität von Lebensmitteln einschätzen können. Auch optische Glasfasernetze profitieren von der Technik, da eine bessere Signalqualität die Übertragung von mehr Daten erlaubt.

MPL / RK