Physik 26.03.2010, 20:45 Uhr

Licht in der Warteschleife soll Glasfasernetze schneller machen  

„Mit Lichtgeschwindigkeit radeln“ – titelte das britische Wissenschaftsmagazin Nature im Februar 1999. Bis heute versuchen Forscher, langsames Licht für die Technik zu nutzen. Zwar ist es gelungen, den physikalischen Effekt, der das Licht in kaltem Natriumgas abbremst, auf technisch nutzbare Materialien wie Glasfasern oder Halbleiter zu übertragen, doch musste mancher Traum begraben werden. Nun aber zeichnen sich realistische Anwendungsmöglichkeiten ab. VDI nachrichten, Kassel, 26. 3. 10, ber

Es war eine wissenschaftliche Sensation: US-amerikanische Forscher hatten 1999 gezeigt, dass sich Licht in einem ultrakalten Gas von Natriumatomen 20 Mio. Mal langsamer fortbewegt als normalerweise – mit gut 60 km/h, statt mit 1 Mrd. km/h. So schnell wie ein Radrennfahrer.

Eine der ersten Anwendungsideen für dieses langsame Licht war eine Art Verkehrsampel für Glasfasernetze. Um den Datenverkehr in einem solchen Netz zu regeln, müssen Datenpakete zwischengespeichert werden. Dafür muss man sie in elektrische Signale umwandeln, denn nur diese lassen sich an einem Ort festhalten.

Könnten Lichtpulse verlangsamt werden, wäre diese Umwandlung nicht nötig, so die Idee. Das würde die Glasfasernetze deutlich schneller machen, denn die elektronischen Zwischenspeicher wirken wie ein Flaschenhals für Datenübertragungsraten.

Auf rund ein Drittel der Vakuumlichtgeschwindigkeit haben Forscher Lichtpulse in Glasfasern abgebremst. Doch zu einem hohen Preis: „Je stärker man das Licht abbremst, desto geringer ist die Bandbreite der Lichtpulse“, sagte der Schweizer Physiker Luc Thévenaz von der Eidgenössischen Technischen Hochschule in Lausanne, ein Pionier der Lichtverlangsamung in Glasfasern.

Für die Praxis bedeutet das: Ein Zwischenspeicher, der mit langsamem Licht arbeitet, kann maximal 5 Bits Information speichern. Für den Einsatz in Datenautobahnen wäre mehr als das Hundertfache nötig. Langsames Licht konnte also den Flaschenhals nicht aufweiten.

Doch das ist noch nicht das Aus für den möglichen Praxiseinsatz von langsamem Licht. Physiker erkannten, dass schon eine sehr kleine Verzögerung eines Lichtstrahls – die ohne Verlust der Bandbreite gelingt – nützlich sein kann.

Praktisch funktioniert die Lichtbremse in folgendem Szenario: Man spaltet eine Lichtwelle in zwei Teilstrahlen auf, von denen sich der eine ungehindert fortpflanzt. Der zweite wird so weit abgebremst, dass er um nur eine Wellenlänge oder noch weniger zurückfällt, und dann wieder auf normales Tempo beschleunigt. Anschließend überlagert man die Strahlen zu einem neuen Strahl.

Weil die Berge und Täler der überlagerten Lichtwellen nach dem zwischenzeitlichen Bremsen gegeneinander verschoben sind, weicht der neue Strahl von der geraden Ausbreitungsrichtung ab.

„Die Richtung, in die er gelenkt wird, hängt davon ab, wie weit man den einen Strahl abgebremst hat“, erklärte Johann Peter Reithmaier, Physikprofessor am Institut für Nanostrukturtechnologie und Analytik der Uni Kassel. Umgewandelt in Mikrowellenstrahlung soll das abgelenkte Licht für Mobilfunk- und Radarsender eingesetzt werden, die den Empfänger aktiv anpeilen.

„Bislang lenkt man die Strahlen mithilfe elektronischer Schaltungen“, sagte Reithmaier. Deren Rauschen verursache aber Ungenauigkeiten bei der Strahlausrichtung.

Reithmaiers Team entwickelt Halbleiterbauelemente in Chipgröße, welche das Licht bremsen und somit die Ablenkelektronik ersetzen sollen.

Eine dänische Forschergruppe, die wie Reithmaiers Team zum europäischen Forschungsprojekt „Gospel“ gehört, hat vor Kurzem ein weiteres Etappenziel auf diesem Weg erreicht: Mithilfe von drei aneinandergereihten Halbleiterbauelementen hat es Licht um eine Wellenlänge verzögert.

Die Kasseler wollen nun mit Projektpartnern die Halbleiterelemente durch den Einsatz von Nanotechnologie verbessern. Diese Bauelemente erhalten sogenannte Quantenpunkte. Das sind dreidimensionale Inseln eines fremden Materials innerhalb des Halbleiterkristalls. Diese Inseln sind nur wenige Nanometer groß und haben daher ähnliche Eigenschaften wie Atome. Diese künstlichen Atome beeinflussen die optischen Eigenschaften des Materials.

„Indem man die Dichte und die Größe der Quantenpunkte verändert, lassen sich die optischen Eigenschaften der Halbleiter maßschneidern“, sagt Reithmaier. Die Kasseler hoffen, auf diese Weise Halbleiterelemente bauen zu können, die Licht wesentlich breitbandiger bremsen können als die Bauteile aus Dänemark. „Sie wären somit für praktisch alle Frequenzen, die in der optischen Signalverarbeitung genutzt werden, geeignet“, erläuterte Reithmaier.

Andere Physiker gehen noch einen Schritt weiter und stoppen Lichtpulse vollständig. Das Ziel sind Speicher für Lichtpulse. Mit solchen Lichtspeichern ließen sich Computer bauen, die mit Lichtpulsen rechnen und optische Daten verarbeiten. „Sie wären viel schneller und effizienter als herkömmliche Rechner“, sagte Thomas Halfmann, Physikprofessor an der TU Darmstadt.

Halfmanns Team und anderen Forschergruppen ist es bereits gelungen, einfache Bilder durch Stoppen der Lichtsignale in Gasen oder Festkörpern zu speichern. Allerdings sind die gespeicherten Informationen flüchtig. In Gasen bleiben die Bilder bislang nur einige Millionstel Sekunden bestehen. Spezielle, auf Temperaturen knapp über dem absoluten Nullpunkt (-273 °C) gekühlte Festkörper speicherten gestoppte Bilder immerhin eine Tausendstelsekunde lang.

„Zukünftige Untersuchungen zielen auf die Entwicklung geeigneter Festkörper, die das Stoppen von Lichtpulsen für noch längere Zeit und bei Raumtemperatur ermöglichen“, wagte Halfmann einen Blick in die Zukunft. CHRISTIAN MEIER

Von Christian Meier
Von Christian Meier

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