Forschende aus Erlangen, Jena und Hannover haben eine neue Art von Glasfaser entwickelt, indem sie eine mit Flüssigkeit gefüllte Glaskapillare eingefroren haben. Diese leitet Licht- und Schallwellen gleichzeitig und sorgt für eine hocheffiziente Kopplung zwischen den beiden Wellenarten. Die hohe Kopplungsstärke ist äußerst energieeffizient: Sie senkt den Energieverbrauch von photonischen neuromorphen Rechensystemen und Anwendungen zur Quanten-Signalverarbeitung um mehrere Größenordnungen.
Phasenübergänge gehen stets mit Veränderungen der physikalischen Eigenschaften der Materialien einher, beispielsweise der Dichte oder des Brechungsindexes, die bestimmen, wie sich Schall und Licht durch das Material ausbreiten. Dieser grundlegende physikalische Prozess wird auch beim Schmelzen von Glasvorformen genutzt, um deren Struktur aufzulockern und aus ihnen optische Fasern zu ziehen. Diese so erzeugten Fasern leiten Licht durch ihren Kern und ermöglichen die sehr schnelle Übertragung von Informationen über große Entfernungen, weshalb sie weitreichend in der Telekommunikation eingesetzt werden. Für spezialisiertere Anwendungen, beispielsweise bei Faserlasern, Faserkopfendoskopen oder Fasersensoren, wurden modifizierte Arten von optischen Fasern entwickelt. Mit verschiedenen Gasen oder Flüssigkeiten gefüllte Hohlkernfasern ermöglichen es beispielsweise, Temperaturverteilungen zu messen. Zudem fungieren sie als mikroskopische Chemielabore.
In einem Forschungsprojekt haben Forschende am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts (MPL), der Leibniz Universität Hannover und dem Leibniz-Institut für Photonische Technologien (IPHT) in Jena einen neuen Fasertyp entwickelt: Sie haben optische Flüssigkeitskernfasern (LiCOF) in Stickstoff bei -196 °C eingefroren und auf diese Weise einen Phasenübergang im Faserkern von flüssig zu fest hervorgerufen. „Der entscheidende Punkt ist, dass der gefrorene Abschnitt der LiCOF seine Fähigkeit zur Lichtleitung beibehält. Nicht nur das: Sowohl der flüssige als auch der gefrorene Abschnitt der Faser leiten Hyperschallwellen“, sagt Simon Seiderer, einer der drei Hauptautoren des Artikels und Wissenschaftler in der Forschungsgruppe Quantenoptoakustik von Birgit Stiller, die das Projekt am MPL und an der LUH leitet.
Die Forschenden nutzen die äußerst effiziente Kopplung zwischen Licht und Schall in der neuen Faser. Die Brillouin-Mandelstam-Streuung ist zwar bereits aus herkömmlichen optischen Fasern bekannt, doch schafft das Team durch den Phasenübergang zum gefrorenen LiCOF eine extreme, stark begrenzte und dichte Umgebung. Die optoakustische Kopplung wird dadurch mehr als tausendfach stärker als in herkömmlichen optischen Fasern.
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Durch die Nutzung dieser effizienten Kopplung demonstrierten die Forschenden einen optoakustischen Speicher. Optoakustische Speicher sind grundlegende Bausteine für das photonische neuromorphe Rechnen in Glasfasern. Sie nutzen die drastischen Geschwindigkeitsunterschiede zwischen Licht- und Schallwellen. Informationen werden von der schnellen Lichtwelle auf die wesentlich langsameren Schallwellen übertragen und nach geraumer Zeit wieder in Licht umgewandelt. Die effiziente optoakustische Kopplung in der gefrorenen LiCOF eröffnet neue Möglichkeiten zur enormen Senkung des Energieverbrauchs photonischer Rechenarchitekturen.
Das Projekt wurde in Zusammenarbeit mit Markus Schmidt und Mario Chemnitz vom IPHT Jena ermöglicht, die Pionierarbeit bei der Forschung mit optischen Fasern mit flüssigem Kern geleistet haben. Dieser zusätzliche Schritt – das Einfrieren des LiCOF-Kerns – ermöglicht höhere Nichtlinearitäten. „Durch das Einfrieren des flüssigen Kerns haben wir eine völlig neue physikalische Plattform geschaffen, die extreme Nichtlinearitäten bietet und gleichzeitig einfach zu handhaben ist“, sagt Stiller. „Die Demonstration eines hocheffizienten optoakustischen Speichers ist zwar ein fantastischer erster Schritt, doch dieses Niveau der Licht-Schall-Kopplung eröffnet nicht nur spannende neue Möglichkeiten für das neuromorphe Rechnen, sondern auch für die Quanteninformationsverarbeitung, die Mikrowellenphotonik und die hochpräzise Sensorik.“ [MPL / dre]
Weitere Informationen
- Originalpublikation
S. Seiderer, A. Geilen, L. N. Sliwa, et al., Giant Brillouin gain in frozen CS₂ capillaries, Optica 13 (7), 1415-1422, 20. Juli 2026; DOI: 10.1364/optica.600056 - Abt. Faserphotonik (Markus Schmidt), Leibniz-IPHT, Jena
- Abt. Smart Photonics (Mario Chemnitz), Leibniz-IPHT, Jena
- Forschungsgruppe Quanten-Optoakustik (Birgit Stiller), Leibniz Universität Hannover / MPI für die Physik des Lichts, Erlangen
