Wirbelndes Licht für höhere Datenraten

Lichtwellen müssen sich nicht immer direkt und geradlinig ausbreiten. Sie können auch rotieren, kleine optische Wirbel bilden und dabei einen Bahndrehimpuls (OAM) aufweisen. Die Photonen in einem solchen Lichtstrahl rotieren dabei um die Strahlachse. Um solche Lichtwirbel möglichst effizient und kontrollierbar zu erzeugen, entwickelten nun britische und chinesische Forscher einen speziellen Lichtchip. Viel kleiner als bisherige Quellen für Lichtwirbel könnte dieses Modul für höhere Raten bei der optischen Datenübertragung sorgen als es heute mit Multiplex-Verfahren möglich ist.

„Unser mikroskopisch kleines Modul für Lichtwirbel ist so kompakt, dass Tausende von Lichtquellen zu sehr geringen Kosten auf einen Siliziumchip gesetzt und in großer Stückzahl produziert werden könnten“, sagt Siyuan Yu von der Photonics Group der University of Bristol. Wichtigstes Element der Quelle für wirbelndes Licht ist ein wenige Mikrometer kleiner Ringresonator. Trifft ein infraroter Laserpuls von 1525 Nanometer Wellenlänge auf diesen Resonator, wird eine vormals ebene Wellenfront in einen helixförmigen Wirbel umgewandelt.

Verantwortlich dafür sind Wechselwirkungen der elektromagnetischen Eigenschaften der Lichtpulse mit dem aus Silizium aufgebauten und mikrostrukturiertem Resonator. Um den Wirbelcharakter der Lichtwellen zu belegen, zeichneten Yu und Kollegen Interferenzmuster zwischen den Lichtwirbeln und einem sich parallel ausbreitenden unveränderten Laserstrahl aus. Die Muster zeigten, wie sich alle Wirbel aus vier Armen aufbauten.

Im Prinzip sind Lichtwirbel keine neue Entdeckung, doch wurden für ihre Erzeugung bisher Millimeter große optische Elemente wie beispielsweise Hologramme oder Materialien mit variierenden Brechungsindizes benötigt. Mit den auf Ringresonatoren aufbauenden Emittern konnten die Lichtquellen um eine ganze Größenordnung schrumpfen. Angewendet werden Lichtwirbel bisher beispielsweise für optische Pinzetten oder quantenphysikalische Experimente. Doch die neuen Module erleichtern nun den Schritt zur optischen Datenübertragung mit Lichtwirbeln.

Das große Potenzial für höhere Datenraten zeigten erst im Juni dieses Jahres Physiker der University of Southern California. Ihnen gelang es, mit Infrarotpulsen eine Übertragung von über einem Terabit pro Sekunde zu erzielen. Verantwortlich dafür waren vier unabhängige Drehimpulskanäle – entsprechend variierender Lichtwirbel – und die Aufspaltung in zwei Polarisationsebenen. Bis die derzeit gebräuchlichen Multiplex-Verfahren um zusätzliche Drehimpuls-Freiheitsgrade auch für technische Anwendungen ergänzt werden können, sind aber noch weitere Verbesserungen nötig. Denn schwierig gestaltet sich bisher, die verschiedenen OAM-Kanäle und damit die übertragenden digitalen Daten sauber voneinander zu trennen.

Jan Oliver Löfken

OD