26.04.2022

Einbahnstraße für verstärktes Licht

Neuer Nano-Repeater für Glasfasernetze verstärkt Licht nur in eine Richtung.

Glasfasern sind heute das Rückgrat unserer Informations­gesellschaft. Um in Glasfasernetzen Daten mittels Lichts über große Strecken zu übertragen, muss das Licht jedoch in regelmäßigen Abständen nachverstärkt werden, um die auftretenden Verluste zu kompen­sieren. Hierfür kommen Repeater zum Einsatz. Eine wichtige Repeater-Bauart beruht dabei auf der Verstärkung von Licht mittels des Laser­effekts. Hierfür werden Atome innerhalb der Glasfaser in einen angeregten Zustand versetzt und dann von dem zu verstärkenden Licht stimuliert, ihre gespeicherte Energie in Form von zusätzlichen Lichtteilchen abzugeben. So kommt aus dem Laser­verstärker mehr Licht heraus als hineingeht.

Abb.: Im Nano-Repeater durchläuft Licht eine ultradünne Glasfaser und ragt...
Abb.: Im Nano-Repeater durchläuft Licht eine ultradünne Glasfaser und ragt ein Stück weit über deren Oberfläche hinaus. Atome in der Nähe der Faser werden optisch angeregt und im Uhrzeigersinn in Rotation versetzt. (Bild: HU Berlin)

Unter gewöhnlichen Umständen würde ein Laser­verstärker vorwärts und rückwärts laufendes Licht gleicher­maßen verstärken, da Atome in alle Richtungen gleichermaßen zusätzliche Lichtteilchen abgeben würden. In Glasfaser­netzwerken kann dies zum Problem werden, wenn zum Beispiel in der Rückwärts­richtung laufende Störsignale verstärkt werden. Forscher um den Quanten­physiker Arno Rauschen­beutel an der Humboldt-Universität zu Berlin haben nun einen neuartigen Weg aufgezeigt, um Atome dazu zu bewegen, das Licht in einer Glasfaser nur in eine Richtung zu verstärken. Hierfür zwängten sie das in der Glasfaser geführte Licht durch eine Verjüngung. Das Licht in solch einer ultradünnen Glasfaser ragt dann ein winziges Stück über deren Oberfläche hinaus – man spricht hier von einem evanes­zenten Lichtfeld.

„Durch die Wechsel­wirkung zwischen der Lichtwelle und der ultradünnen Glasfaser wird der Schwingungs­zustand des Lichtfelds verändert. Das evaneszente Feld dreht sich dann wie der Rotor eines Helikopters", erklärt Arno Rauschen­beutel. Die Drehrichtung hängt dabei davon ab, ob das Licht in der Glasfaser vorwärts oder rückwärts läuft. Einmal schwingt das Licht im Uhrzeigersinn, einmal dagegen. Ausbreitungs­richtung und Schwingungs­zustand des Lichts sind also fest miteinander verknüpft. Wenn man nun Atome mit Laserlicht in Rotation versetzt und an das evaneszente Feld der ultra­dünnen Glasfaser koppelt, kann man erreichen, dass sie sich bezüglich der beiden Licht-Rotations­richtungen unterschiedlich verhalten. „Das Lichtfeld in der Vorwärts­richtung hat den gleichen Drehsinn wie die Atome und wird von diesen verstärkt. Das Lichtfeld in der Rückwärts­richtung, das sich andersherum dreht als die Atome, wird von diesen hingegen nicht beeinflusst", sagt Philipp Schneeweiß, der gemeinsam mit Arno Rauschen­beutel an den Licht­verstärkern forscht.

Diesen Effekt demons­trierten die Forscher in einem Experiment: Sie kühlten einige hundert Atome auf eine Temperatur von wenigen Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab, sodass diese fast still­standen und sich entlang der ultradünnen Glasfaser aufreihen ließen. Obwohl nur etwa so viele Atome zum Einsatz kamen wie sich insgesamt in einem einzelnen Insulin­molekül befinden, verstärkten diese das Licht in der einen Richtung um den Faktor zwei. In der Gegen­richtung änderte sich die Stärke des Lichts dagegen nicht. Die Forscher sind optimistisch, dass das demonstrierte Prinzip schon bald praktische Anwendungen finden wird. Außer in Glasfaser­netzwerken könnte es auch in supraleitenden Quanten­schaltkreisen verwendet werden, die in bestimmten Quanten­computern zum Einsatz kommen. „Dort wäre es insbesondere von Vorteil, dass unser Ansatz im Gegensatz zu anderen ohne Magnetfelder auskommt, denn die lassen sich nicht gut mit Supra­leitern kombinieren“, sagt Rauschenbeutel.

HU Berlin / JOL

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