Dünn aber oho!

Dünn aber oho!

Besonders homogen hergestellte 50-Nanometer-dünne Glasfasern zeigen überraschend geringe Übertragungsverluste.

Cambridge (USA) – Jede Sekunde sausen Unmengen an Daten durch das globale Glasfasernetz – viel effizienter als in Kupferkabeln. Dieser optische Transport von Informationen lässt sich bislang jedoch weder für optische Mikrochips, noch für mikroskopisch kleine Licht basierte Sensoren ausnutzen. Der Grund ist: In solch winzigen Strukturen, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts sind, waren die Streuverluste bislang viel zu groß und der Aufbau der Fasern zu inhomogen. Amerikanischen und chinesischen Nanoforschern gelang es nun, 50 Nanometer dünne Lichtleiter aus Siliziumoxid so exakt herzustellen, dass die Übertragungsverluste überraschend gering waren.

"Die Verkleinerung von Wellenleitern ist wichtig für die Entwicklung solcher photonischen Module", sagt Eric Mazur von der Harvard University in Cambridge. Kommen industriell gefertigte Glasfasern mit Durchmessern von einigen Tausendstel Millimetern noch reichlich dick daher, schrumpfen die neuen Lichtleiter auf einen Bruchteil dieser Maße zusammen. Damit sind sie klein genug, um auf einem Chip angeordnet zu werden. Dort könnten sie schneller größere Datenmengen leiten als die heute üblichen metallischen Kontaktstrecken.

Die Lösung liegt in einer 80-µm-dünnen Spitze aus Saphir. Aufgeheizt in einer Flamme ragt sie aus dieser einen halben Millimeter heraus und gibt ihre Wärme (2000 Kelvin) an eine mikrometerdicke Rohfaser aus Siliziumoxid ab. Läuft diese entlang der heißen Spitze der Saphir-Nadel wird sie punktuell aufgeheizt. Exakt hier schmilzt sie auf und wird damit weich genug, um zu einem tausendmal dünneren Lichtleiter gezogen zu werden. Dabei erreichten Mazur und Kollegen Zuggeschwindigkeiten von bis zu zehn Millimetern pro Sekunde. Andere Heizmethoden - beispielsweise mit Lasern - verursachten bisher störende Fluktuationen im Material, was zu einer rauen Oberfläche und einem ungleichmäßigem Aufbau der Faser führte. Hohe Leistungsverluste waren die Folge. Insgesamt erreichten die Forscher mit diesem Verfahren Faserlängen von einigen Zentimetern. Lang genug für den Bau von Licht-Chips oder Mikrosensoren.

Da der Durchmesser dieser extrem feinen Faser nur um wenige Atomlagen variiert, konnten die Forscher Lichtsignale (633 und 1550 Nanometer Wellenlänge) mit relativ geringem Leistungsverlust durch sie hindurch leiten (1 dB/mm). Da sich die Durchmesser der Fasern unterhalb der Wellenlänge selbst bewegten, verteilten sich rund 20 Prozent der Strahlungsenergie außerhalb der Faser (Abb.). Allgemein vergrößerte sich dieser Anteil je stärker der Durchmesser der Faser schrumpfte.

Licht mit einer Wellenlänge von 633 nm, dass durch eine Siliziumoxidfaser mit einem Durchmesser von 360 nm geleitet wird (waagerechte Faser), erzeugt beim Auftreffen auf einen Lichtleiter mit 3 µm Durchmesser (rechter Bildrand) ein charakteristisches Beugungsmuster. (Quelle: Mazur)

Neben den geringen Dämpfungseigenschaften bieten die Lichtleiter noch weitere Vorteile: Sie zeigten sich so flexibel und gleichzeitig stabil, dass sie zu filigranen Schleifen mit nur einem Millionstel Meter Durchmesser gebogen werden konnten. Weitere Verluste durch diese starke Krümmung hielten sich wegen des großen Unterschieds der Brechungsindizes von Luft und Siliziumoxid in Grenzen. Genau diese Eigenschaft erlaubt nun die Anordnung dieser Fasern zu einem komplexen Netzwerk von Lichtbahnen auf einem Chip. "Diese Fasern legen die Grundlage für viel versprechende Mikrophotonik-Module und für optische Sensoren", so Mazur optimistisch.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Limin Tong et al., Subwavelength-diameter silica wires for low-loss optical wave guiding, Nature 426, 816 (2003).  
• Harvard University: 
  http://www.harvard.edu  
• Division of Engineering and Applied Sciences: 
  http://www.deas.harvard.edu  
• Arbeitsgruppe von Eric Mazur:
  http://mazur-www.harvard.edu   
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• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema „Lichtleitung in Subwellenlängen-Strukturen“ finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie Optik und Laserphysik.

Weitere Literatur:

• H. Murata, Handbook of Optical Communication Technology, Prentice Hall, New York, 2001.  
• M. Yamane et al., Glasses for Photonics, Cambridge University Press, Cambridge, Großbritannien, 2000  
• K. K. Lee et al., Effect of size and roughness on light transmission in a Si/SiO ₂ waveguide: experiments and model, Applied Physics Letters 77,