Ein Kristall aus optischen Solitonen

Optische Frequenz­kämme haben die Messung von optischen und UV-Licht­frequenzen (um 1000 THz) revolu­tioniert, indem sie diese auf direkte Weise in elektronisch auszählbare Radio­frequenzen (bis etwa 50 GHz) übersetzen. Frequenz­kämme weisen eine Vielzahl von scharf umrissenen Frequenzen auf, die wie die Zähne eines Kamms einen einheit­lichen Abstand von­einander haben und einen großen Frequenz­bereich überdecken. Vor zehn Jahren brachten Tobias Kippen­berg und seine Mitarbeiter Frequenz­kämme in extrem minia­turisierter Form auf einem Mikrochip unter. Dazu regten sie mit einem konti­nuierlich strahlenden Laser Flüster­galeriemoden im kreis­förmigen Rand eines Mikro­resonators aus Quarzglas an.

Aufgrund des optisch nicht­linearen Kerr-Effektes entstanden im Resonator aus den Laser­photonen von einheit­licher Frequenz in einer Kaskade zusätzliche Photonen mit vielen weiteren Frequenzen, die einen Frequenz­kamm bildeten. Die entsprechende Strahlung bestand aus Lichtpulsen mit einer Puls­frequenz, die gleich der Frequenz­differenz zwischen benachbarten Zähnen im Frequenz­kamm war. Beim Kerr-Effekt ist der Licht­brechungs­index eines Materials von der Licht­intensität abhängig. Dadurch können sich Licht­pulse selbst fokus­sieren und ein durch Dispersion verur­sachtes Auseinander­laufen verhindern. Durch stetige Energie­zufuhr, die die Dissi­pation ausgleicht, können so Lichtpulse mit unveränder­lichem Intensitäts­profil entstehen. Mit solchen optischen Solitonen lassen sich Informa­tionen übertragen.

Die optischen Solitonen können aber auch zu perio­dischen Puls­folgen angeordnet werden und damit ihrerseits Frequenz­kämme bilden, die eine größere Inten­sität und Stabi­lität haben und möglicher­weise ein gerin­geres Rauschen aufweisen als die Frequenz­kämme aus „normalen“ Lichtpulsen. Solche kristall­förmigen Folgen von optischen Solitonen haben jetzt Forscher um Daniel Cole vom NIST in Boulder hergestellt und untersucht. Dazu haben sie mit einem konti­nuierlich strahlenden Pump­laser, dessen Frequenz abgestimmt werden konnte, über eine Glasfaser Flüster­galerie­moden in einem Mikro­resonator erzeugt. Die ange­regten Moden wurden wieder über die Glasfaser ausge­koppelt und konnten anschließend spektral untersucht werden. Zudem wurde auch gemessen, wie stark der Laser­strahl durch die Anregung der Resonator­moden abge­schwächt wurde.

Als die Forscher die Laser­frequenz stetig verrin­gerten, nahm die Inten­sität des durch die Glasfaser über­tragenen Laser­strahls konti­nuierlich ab. Das Spektrum der ausge­koppelten Resonator­moden zeigte, dass sich zunächst ein Frequenzkamm aus „normalen“ Licht­pulsen gebildet hatte, die perio­disch aufeinander folgten. Bei einer kritischen Laser­frequenz setzte chao­tisches Verhalten ein und die Lichtpulse folgten aperiodisch aufeinander. Bei einer zweiten kritischen Laser­frequenz kam es zu einem besonderen Resonanz­phänomen: Zwei verschiedene Resonator­moden, die unter­schiedliche Frequenzkämme hervor­riefen, waren zufällig entartet. Aufgrund des Kerr-Effekts wurde die Entartung jedoch aufgehoben und es trat eine deut­liche Verstärkung der Inten­sitäten der Kammfrequenzen auf. Die Licht­pulse wurden zu Solitonen, deren wellen­förmige Ausläufer sich konstruktiv über­lagerten. Dadurch entstand eine Hinter­grundwelle, die die einander anziehenden Solitonen auf Abstand hielt und zu einer regel­mäßigen Folge anordnete.

Während die Lichtpulse eines herkömm­lichen Frequenz­kammes keine Eigen­ständigkeit aufweisen und zeitlich starr angeordnet sind, verhielten sich die aufeinander folgenden Solitonen indi­viduell wie Atome in einem Kristall. Das zeigte sich als die Forscher die Laser­intensität erhöhten. Dadurch verstärkten sich die Schwankungen im chao­tischen Zwischen­bereich, der der Entstehung eines „Solitonen­kristalls“ vorausging, sodass es zu Kristall­fehlern kam: Es fehlten beispiels­weise einzelne Solitonen oder es gab Über­strukturen durch periodische Modulation des zeit­lichen Solitonen­abstands.

Durch diese gezielt hervor­gerufenen Fehler im Solitonen­kristall könnte man eine Vielzahl neuar­tiger Frequenz­kämme erzeugen, bei denen bestimmte Frequenzen mit außer­gewöhnlich großer Inten­sität auftreten. Außerdem lassen sich die soli­tonischen Frequenz­kämme wegen der ihnen zugrunde liegenden optischen Nicht­linearität wesent­lich effizienter anregen als herkömm­liche Frequenz­kämme.

Rainer Scharf

JOL