Lichtleiter im Nanomaßstab

Lichtleiter im Nanomaßstab

Physik Journal – Um die Leistung optischer Schaltkreise zu erhöhen, braucht man extrem dünne und homogene Lichtleiter.

Unmengen an Daten sausen jede Sekunde durch das globale Glasfasernetz. Nicht nur in Netzwerken, auch in optischen Rechen- und Sensorchips der Zukunft könnte dieser hoch effiziente Transport von Informationen über Lichtwellen seine Vorteile ausspielen. Doch bevor die Rechenleistung mit optischen Schaltkreisen erhöht werden kann, braucht man extrem dünne und zugleich hochreine, homogene Lichtleiter. Dieses Ziel haben nun amerikanische und chinesische Forscher mit einem Herstellungsverfahren für bis zu 50 Nanometer dünne Lichtleiter aus Siliziumdioxid erreicht.

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.

Mit Hilfe eines neuen Herstellungsverfahrens lassen sich extrem dünne und biegsame Lichtleiter herstellen. Auf dem kleinen Bild ist eine zu einer Schleife gewickelte Faser auf einem Haar zu sehen. (Quelle: L. Tong/Harvard University)

Das Herzstück der Nanofaser-Produktion bildet eine hauchdünne Spitze (80 μm) aus Saphir. Aufgeheizt in einer Flamme ragt sie aus dieser rund einen halben Millimeter heraus und gibt dort ihre Wärme an eine in mehreren Windungen aufgewickelte, mikrometerdicke Rohfaser aus Siliziumdioxid ab. Auf diese Weise lässt sich die Temperatur (2000 K) dieser kleinen Faserspule gerade so einstellen, dass die Fasern nicht komplett ineinander verschmelzen. Dennoch ist der Strang weich genug, um gleichmäßig in einen bis zu tausendmal dünneren Lichtleiter gezogen zu werden. Da die Zugkraft seitlich an die Faser in einem rechten Winkel zur Saphirspitze angreift, wird die aufgeweichte Rohfaser langsam abgerollt und lässt sich durch den wirkenden Zugwiderstand genau bis auf den gewünschten Durchmesser verjüngen. Eric Mazur von der Harvard University und seine Kollegen von der Zhejing University in Hangzhuo variierten dazu die Zuggeschwindigkeiten zwischen einem und zehn Millimetern pro Sekunde, wodurch sie gleichmäßige Faserdurchmesser zwischen 50 und 1100 Nanometer erzielten.

Im Unterschied zu anderen Heizmethoden – beispielsweise mit Lasern – entstanden dabei keine Strukturschwankungen im Material, die bisher zu einer rauen Oberfläche und einem ungleichmäßigen Aufbau der Faser führten. Der Durchmesser dieser extrem feinen Faser variiert nur um wenige Atomlagen. Lichtsignale mit 633 und 1550 Nanometer Wellenlänge breiten sich daher mit einem geringen Leistungsverlust (1 dB/mm) durch den Lichtleiter aus. Zudem erwies sich die Siliziumdioxid-Faser als so flexibel und gleichzeitig stabil, dass sie sich zu filigranen Schleifen mit nur einem Millionstel Meter Durchmesser biegen lässt. Weitere Verluste durch diese starke Krümmung hielten sich wegen des großen Unterschieds der Brechungszahlen von Luft und Siliziumdioxid in Grenzen.

Jan Oliver Löfken

Quelle: Physik Journal, Februar 2004

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Limin Tong et al., Nature 426, 816