Radiowellen optisch detektiert
Eine Mikromembran kann schwache Radiosignale in Laserlichtsignale umwandeln.
Durch mikroskopisch kleine oszillierende Balken oder Membranen lassen sich mechanische, elektrische und optische Schwingungen miteinander koppeln. Mit diesen nanooptischen Bauelementen könnte man Signale sehr rauscharm verstärken oder sogar quantenmechanische Zustände von Mikro- und Radiofrequenzphotonen auf optische Photonen übertragen. Forscher in Dänemark sind diesen Zielen jetzt einen großen Schritt näher gekommen.
Abb.: Die SiN-Membran ist zugleich Spiegel und Kondensatorplatte, so dass ihre Vibrationen sowohl an die optischen Schwingungen des einfallenden Laserstrahls als auch an Radiowellenoszillationen eines elektronischen Schaltkreises koppeln. (Bild: M. Høst)
Eugene Polzik und seine Mitarbeiter an der Universität Kopenhagen haben einen optomechanischen Umformer hergestellt, der sehr effizient und mit geringem Rauschen schwache Radiosignale in optische Signale umwandelt. Das Herzstück dieses Bauelements ist eine 0,5 Millimeter große quadratische Membran aus Siliziumnitrid, die an ihrer Unterseite durch einen Aluminiumüberzug verspiegelt worden ist. Die Membran war längs ihres Randes fixiert, so dass ihre Mitte frei schwingen konnte.
Die mechanischen Oszillationen der Membran, deren Resonanzfrequenz bei 720 Kilohertz im Radiofrequenzbereich lag, wurden sowohl mit Radiowellen als auch mit Lichtwellen gekoppelt. Die metallische Unterseite der Membran befand sich in mikrometergroßem Abstand von einer Goldelektrode, die an einen elektrischen Schwingkreis angeschlossen war, der zu Radiofrequenzschwingungen angeregt wurde. Membran und Goldelektrode bildeten die beiden Platten eines Kondensators, sodass es zu einer kapazitiven Kopplung kam, deren Stärke sich durch die angelegte Gleichspannung verändern ließ. Ein elektrisches Signal versetzte die Membran in Schwingungen.
Die Schwingungen der Membran ließen sich auf zweierlei Weise verfolgen: einerseits anhand der von ihnen im Schwingkreise verursachten Spannungsmodulationen und andererseits mit Hilfe eines Laserstrahls von 633 Nanometern Wellenlänge, der von der verspiegelten Membran reflektiert wurde. Je nach der Schwingungsamplitude erfuhr der reflektierte Lichtstrahl eine mehr oder weniger große Phasenverschiebung, die die Forscher interferometrisch bestimmten. Die mechanischen Schwingungen der Membran ließen sich somit auf eine Lichtwelle übertragen.
Beide Verfahren lieferten übereinstimmende Resultate für die Schwingungsamplitude der Membran. Das zeigte sich, als die Forscher systematisch die Frequenz der Radiowelle im Schwingkreis sowie die Stärke der kapazitiven Kopplung änderten und dabei die Auslenkung der Membran maßen. Wenn die Radiowelle mit der Membranschwingung in Resonanz war, trat aufgrund der starken Kopplung eine vermiedene Niveauüberkreuzung auf, die von beiden Verfahren in gleicher Weise dargestellt wurde.
Durch die schwingende Membran ließen sich schwache Radiosignale auf Laserlicht übertragen. Wie die Messungen ergaben, waren zirka 125 Radiofrequenzphotonen nötig, um ein Laserphoton als Signal zu erzeugen. Die entspricht einer Quantenkonversion mit einer Effizienz von 0,8 Prozent was etwa zehnmal besser ist als die Effizienz, die bisher in der Kommunikationstechnologie erreicht wird. Doch die Forscher sind zuversichtlich, dass mit stärkerer Lichtintensität sogar eine Effizienz von 50 Prozent möglich ist.
Erstaunlich gering ist das Signalrauschen des optomechanischen Wandlers, das durch die im Vakuum bei Zimmertemperatur schwingende Membran verursacht wird. Es ist dem Rauschen vergleichbar, das kryogen gekühlte Vorverstärker aufweisen, wie sie z. B. in der Radioastronomie verwendet werden. Beim Einsatz des optomechanische Wandlers als Verstärker in Satelliten wäre der Wegfall der aufwendigen Kühlung ein großer Vorteil.
Der aufregendste Aspekt ist jedoch die effiziente Umwandlung von Radio- und vielleicht schon bald auch Mikrowellensignalen in optische Signale. Angesichts der hohen Effizienz des neuen optomechanischen Wandlers erscheint es möglich, mit ihm die auf Mikrowellenphotonen gespeicherte Quanteninformation kohärent auf optische Photonen zu übertragen. Während die Mikrowellen-Qubits z. B. in supraleitenden Schaltkreisen erzeugt und verarbeitet werden können, ließen sich die optischen Qubits durch Glasfasern zu weit entfernten Empfängern leiten.
Rainer Scharf
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