Laserpulse nach Maß

Moderne IT-Systeme verarbeiten Daten zwar nach wie vor elektronisch, zur Übertragung dienen jedoch immer öfter optische Signale. Diesen Signalen die gewünschte Form zu geben, ist eine der größten Herausforderungen der Optoelektronik. Britische Forscher lassen nun mit einem neuen Zugang aufhorchen, der einige Nachteile der gängigen Methoden überwinden könnte. Sie kombinierten fünf Halb­leiter­laser mit unter­schiedlichen Frequenzen und erzeugten so beliebig geformte Lichtpulse. Zurzeit noch eine reine Mach­barkeits­­studie, könnte sich das System schon bald zu einer opto­elektronischen Standard­komponente entwickeln – integriert auf einem Mikrochip.

Die etablierten Methoden, um Lichtpulsen die gewünschte Form zu verleihen, beruhen auf einer nachträglichen Veränderung: Der vom Laser erzeugte Puls wird spektral aufgefächert, gewisse Frequenz­bereiche herausgefiltert und der Strahl wieder zusammengesetzt. So lassen sich, gemäß der Fourier­transformation, beliebige geformte Signale herstellen. Im wesentlichen basiert diese Methode jedoch auf Verlusten, was zu niedriger Effizienz und geringen Ausgangs­­leistungen führt.

Die Forscher rund um David S. Wu gingen das Problem dagegen von der anderen Seite an: Um die gewünschte Pulsform entstehen zu lassen, überlagerten sie Strahlung aus unterschiedlichen Quellen und erzeugten jede Frequenz von vornherein mit genau der richtigen Amplitude. So konnten sie verschieden geformte Signale mit einer Wieder­holungs­­rate von 100 Gigahertz erzeugen. „Unser System besteht aus winzigen, kosten­günstigen Halb­leiter­lasern, die alle in denselben Chip integriert werden können“, sagt Wu. „Somit hat es das Potenzial für einen kompakten, robusten und energie­effizienten Puls­generator.“

Damit die Überlagerung der verschiedenen Strahlen das gewünschte Signal ergibt, reicht es allerdings nicht, lediglich die Amplituden richtig zu wählen – auch die Phasen müssen stimmen. Um eine fixe Phasen­beziehung zwischen den einzelnen Komponenten herzustellen, verwendeten die Forscher einen zusätzlichen Laser als Referenz, dessen Strahlung sie in die fünf Halb­leiter­laser einkoppelten. Darüber hinaus ermöglichten Phasen­verschieber die volle Kontrolle über die Beziehungen zwischen den einzelnen Strahlungs­quellen. Um das unter Beweis zu stellen, schickten Wu und seine Kollegen Pulse durch ein zwei Kilometer langes Glas­faser­kabel. Wie zu erwarten, war das Signal am Ausgang aufgrund chromatischer Dispersion völlig verzerrt. Indem sie die Dispersion analysierten und die Phasen des Eingangs­­signals entsprechend verschoben, gelang es ihnen jedoch, den Effekt umzukehren: Ein verzerrtes Eingangs­signal wurde in der Glasfaser „zurechtgerückt“ und erschien am Ausgang als perfekt geformter Puls.

Sollte der Pulsgenerator tatsächlich Anwendung in Form eines integrierten Bauteils finden, wäre es laut den Forschern auch möglich, noch wesentlich mehr als die bisherigen fünf Laser miteinander zu kombinieren. Dadurch könnten in Zukunft noch kürzere und komplexere Pulsformen erzeugt werden.

Thomas Brandstetter

DE