Glasfasern für höchste Ansprüche

Glasfasern für höchste Ansprüche

Mit durchlöcherten Glasfasern haben zwei Forschergruppen intensive optische Impulse verzerrungsfrei übertragen. Die dabei angewandten Verfahren könnten helfen, die optische Datenübertragung zu verbessern.

Herkömmliche optische Glasfasern bestehen aus einem Kern, in dem sich das Licht ausbreitet, und einem Mantel, der den Kern umschließt. Da der Kern optisch dichter ist als der Mantel, wird das Licht an seiner Oberfläche intern totalreflektiert und dadurch in ihm festgehalten. In neuartigen, strukturierten Glasfasern enthält der Mantel winzige hohle Kanäle, die parallel zum Faserkern verlaufen. Wie man am Querschnitt solch einer Faser sieht, umgeben die Kanäle den Kern in einem regelmäßigen Muster. Der Kern ist somit von einem zweidimensionalen photonischen Kristall umschlossen, der für Licht bestimmter Wellenlängen ist undurchlässig.

Hohl und doch ein voller Erfolg: die mikrostrukturierte Glasfaser mit ungewöhnlichen Eigenschaften. (Quelle: Cornell University)

In optischen Fasern - ob herkömmlichen oder strukturierten - kann man Informationen mit Hilfe von Lichtpulsen übermitteln. Diese Pulse haben die Form von solitären Wellen oder Solitonen, wie man sie auch auf Wasserkanälen beobachten kann. Dabei wird die Lichtdispersion, die den Lichtpuls auseinander laufen lässt, in Schach gehalten von den nichtlinearen optischen Eigenschaften der Faser, die den Puls zusammenziehen. So kann sich der Lichtpuls auch über größere Distanzen weitgehend unverändert ausbreiten. In herkömmlichen Fasern verliert das Licht des Pulses jedoch im Laufe der Zeit an Energie und wird immer langwelliger. Außerdem darf die Lichtintensität des Pulses nicht zu groß sein, weil dann die nichtlinearen Effekte die Oberhand gewinnen.

Beide Probleme lassen sich mit Hilfe von strukturieren Glasfasern in den Griff bekommen, wie jetzt Forscherteams aus den USA und aus Großbritannien zeigen. Dimitre G. Ouzounov und seine Kollegen von der Cornell University haben Lichtpulse mit einer Spitzenleistung von mehreren Megawatt durch spezielle Glasfasern übertragen. Damit haben sie den bestehenden Rekord um zwei Größenordnungen übertroffen. Die dabei benutzten Fasern zeigen im Querschnitt eine weitmaschige Bienenwabenstruktur mit einem Lochdurchmesser von knapp 5 Mikrometern. Im Zentrum der Faser befindet sich ein rund 13 Mikrometer großes Loch. Dies ist der hohle Kern der Faser, durch den sich das Licht ausbreitet.

Die strukturierte Faser weist eine ähnlich große Dispersion auf wie herkömmliche Glasfasern. Ihre optische Nichtlinearität ist indes tausendmal kleiner, da sich das Licht in dem hohlen, luftgefüllten Kern ausbreitet, statt in einem Kern aus Glas. Dadurch wurde es möglich, wesentlich intensivere Lichtpulse zu übertragen, ohne dass die Faser dabei zu Schaden kam. Die Wellenlänge der Pulse nahm allerdings immer mehr zu, je weiter die Pulse durch die Faser liefen. Der Grund dafür ist der Raman-Effekt: Die Photonen regten die Luftmoleküle im hohlen Faserkern zu mechanischen Schwingungen an und verloren dadurch Energie. Die Lichtpulse wurden entsprechend langwelliger.

Dieser Verzerrung der Lichtpulse konnten Ouzounov und seine Kollegen entgegenwirken. Sie füllten die Kanäle ihrer Fasern mit dem Edelgas Xenon statt mit Luft. Da Xenon keine Moleküle bildet, lässt es sich auch nicht in mechanische Schwingungen versetzen. Der Raman-Effekt trat in diesem Fall nicht auf. Die Photonen behielten ihre ursprüngliche Energie und die Lichtpulse liefen mit unveränderter Wellenlänge durch die optische Faser.

Doch es gibt noch einen anderen Weg, den störenden Raman-Effekt in den Griff zu bekommen, wie jetzt Dmitry V. Skryabin und seine Kollegen von der University of Bath demonstriert haben. Auch sie benutzen speziell strukturierte Glasfasern, deren Löcher allerdings nur etwa ein Mikrometer groß sind. Normalerweise bewegen sich Lichtpulse in diesen Fasern ungehindert als optische Solitonen. Solch ein Soliton verhält sich in gewisser Weise wie ein Teilchen. Es kann Lichtwellen abstrahlen, die der Tscherenkov-Strahlung von Elementarteilchen entsprechen, wenn sie schneller als das Licht durch Materie fliegen.

Unter bestimmten Umständen gibt ein optisches Soliton "rotverschobene" Tscherenkov-Strahlung ab, deren Photonen langwelliger sind als die im Soliton vorkommenden. Die Impulserhaltung führt dazu, dass die Photonen des Solitons daraufhin "blauverschoben" werden: Ihre Wellenlänge nimmt ab. Diese Blauverschiebung kann die Rotverschiebung wettmachen, die vom Raman-Effekt verursacht wird. Auf diese Weise konnten Skryabin und seine Kollegen die Wellenlänge und damit die Frequenz der Signale in der optischen Faser stabilisieren.

Sowohl die britischen als auch die US-amerikanischen Ergebnisse demonstrieren eindrucksvoll, dass in den strukturierten Glasfasern noch enorme Möglichkeiten stecken, die die optische Informationsübertragung weiter verbessern werden.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalarbeiten:
  D.G. Ouzounov, Generation of Megawatt Optical Solitons in Hollow-Core Photonic Band-Gap Fibers, Science 301, 1702 (2003).   
• D.V. Skryabin, Soliton Self-Frequency Shift Cancellation in Photonic Crystal Fibers, Science 301, 1705 (2003).   
• Alexander L. Gaetas Gruppe an der Cornell University:
  http://focus.aep.cornell.edu/Research.html   
• Optoelektronik-Gruppe an der University of Bath:
  http://www.bath.ac.uk/physics/groups/opto/   
• Weitere Forschungsartikel auf pro-physik.de finden Sie in der Rubrik Forschung.   
• Spezielle Dokumente und Informationen zum Thema photonische Glasfasern finden Sie ganz einfach mit der Findemaschine, z. B. in der Kategorie-Verknüpfung Optik/Photonische Kristalle.

Weitere Literatur:

• Alexander L. Gaeta, Nonlinear propagation and continuum generation in microstructured optical fibers, Opt. Lett. 27, 924 (2002):
  http://focus.aep.cornell.edu/Papers/contgen_micro.pdf   
• D. G. Ouzounov et al., Delivery of nanojoule femtosecond pulses through large-core microstructured fibers, Optics Letters 27, 1513 (2002):
  http://focus.aep.cornell.edu/Papers/LargeCore.pdf