Nanostrukturierter Terahertz-Schalter

Nanostrukturierter Terahertz-Schalter

Winzige Quantenstrukturen könnten bei der Datenübertragung wesentlich schneller schalten als bisherige Modulatoren.

Santa Barbara (USA) - Rund 100 Milliarden Mal pro Sekunde können heute Modulatoren für die Datenleitung durch Glasfaser schalten. Ein Vielfaches davon erreichen nun winzige Quantenstrukturen. Damit ließe sich die optische Informationsvermittlung weiter beschleunigen. Zu diesem Ergebnis kommen amerikanische Physiker, die das Reflexionsverhalten von nahem Infrarotlicht bei einer Nanometer-kleinen Halbleiterstruktur mit Strahlung im Terahertzbereich gezielt veränderten. Ihre Methode erläutern sie in der aktuellen Ausgabe des Fachblatts "Science".

"Wir arbeiten daran, Daten rund 100-mal schneller zu senden als es heute möglich ist", sagt Mark Sherwin von der University of California in Santa Barbara. Herzstück seines optischen Schalters, der in Zusammenarbeit mit dem Center for Nanotechnology am NASA Ames Research Center entstanden ist, ist eine Quantenstruktur aus zehn Lagen des Verbindungshalbleiters Indiumgalliumarsenid. Jede einzelne dieser Schichten ist nur rund ein Zehntel Nanometer dick. Für das Schalten von Informationen kann die veränderliche Reflektivität dieses Moduls von nahem Infrarotlicht (850 nm Wellenlänge) einer Laserdiode genutzt werden. Verläuft diese Lichtmodulation bisher mit elektrooptischen Methoden mit einer Geschwindigkeit von weniger als 100 Gigahertz, erreicht Sherwin mit seinem Experiment Raten von einigen Terahertz.

Schlüssel zu dieser Beschleunigung ist die Terahertz-Strahlung eines speziellen Freien-Elektronen-Lasers. Wenn diese elektromagnetischen Wellen (1,5 und 3,9 THz) auf das nanostrukturierte Modul treffen, verändert sie das Reflexionsverhalten für nahe Infrarotstrahlung. Sherwin erklärt diesen Effekt mit der Bildung von Elektron-Loch-Paaren, so genannten Exitonen. Unter Einfluss der Terahertzstrahlung werden diese Exitonen selbst zu internen quantenmechanischen Schwingungen angeregt. In Falle einer Resonanz ändert sich dadurch das exitonische Absorbtionsverhalten für Infrarotstrahlung ebenfalls mit Terahertzraten.

"Diese Methode ermöglicht einen neuen Art der Kreuzmodulation, bei der die Absorbtion eines Lichtstrahl durch eine zweite elektromagnetische Strahlung an- und ausgeschaltet werden kann", sagt Sherwin. Damit reagiere der optische Schalter viel schneller als bei heutigen Modulatoren, die noch durch kurze Spannungspulse kontrolliert werden. Wann dieser Ansatz jedoch in einen optischen Modulator für die Datenleitung in Glasfaserkabeln einfließen kann, ist noch unklar. Denn neben den eigentlichen Modul aus Quantenwällen wird eine günstige Quelle für die Terahertz-Strahlung benötigt. Eine weitere Anwendung dieses steuerbaren Absorptionsverhaltens sieht Sherwin für die Entwicklung von Quanteninformationssystemen, die auf der Vermittlung von Quantenzuständen über Licht aufbauen könnten.

Jan Oliver Löfken

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  S. G. Carter et al., Quantum Coherence in an Optical Modulator, Science 310, 651 (2005).
  http://www.sciencemag.org/cgi/content/abstract/310/5748/651
• University of California, Santa Barbara:
  http://www.ucsb.edu
• Arbeitsgruppe Mark Sherwin:
  http://www.iquest.ucsb.edu/sites/sherwingroup/index.htm
• Center for Nanotechnology at the NASA Ames Research Center:
  http://www.ipt.arc.nasa.gov/

Weitere Literatur:

• H. Haug, S. W. Koch, Quantum Theory of the Optical and Electronic Properties of Semiconductors (World Scientific, River Edge, NJ, ed. 4, 2004).
• J. H. Davies, The Physics of Low-Dimensional Semiconductors, an Introduction (Cambridge Univ. Press, New York, 1998).
• J. F. Dynes, M. D. Frogley, M. Beck, J. Faist, C. C.Phillips, Phys. Rev. Lett. 94, 157403 (2005).