Nano-Kreisverkehr für Licht - Photonik

Forschung & Entwicklung | Ausgabe 01/2017

Nano-Kreisverkehr für Licht

Ein optisches Element auf der Nanoskala regelt den Fluss von Lichtteilchen am Kreuzungspunkt zweier Glasfasern wie ein Kreisverkehr. Zur Steuerung der Lichtwege wurde ein einzelnes Atom verwendet.

Bild: TU Wien
Je nach atomaren Zustand bewegt sich Licht im Kreisverkehr im oder gegen den Uhrzeigersinn

Wie im normalen Straßenverkehr sind auch in der optischen Signalverarbeitung Kreuzungen unverzichtbar. Zum Vermeiden von Kollisionen bedarf es dabei einer klaren Verkehrsregel. An der TU Wien wurde nun eine neue Methode entwickelt, mit der eine solche Regel für Lichtsignale vorgegeben werden kann.

Als „optische Zirkulatoren“ bezeichnet man Elemente am Kreuzungspunkt zweier zueinander senkrecht stehender Lichtleiter, die Lichtsignale von einem in den jeweils anderen Lichtleiter umleiten, so dass sich die Laufrichtung des Lichts beispielsweise immer um 90° im Uhrzeigersinn ändert. „Für sich frei ausbreitende Lichtstrahlen gibt es solche Komponenten schon lange“, sagt Arno Rauschenbeutel vom Vienna Center for Quantum Science and Technology am Atominstitut der TU Wien. Solche optischen Zirkulatoren beruhen meistens auf dem sogenannten Faraday-Effekt.

Auf den Größenskalen der Nanotechnologie lässt sich ein solches Bauteil mit Faraday-Effekt aber aus technischen Gründen nicht realisieren. Man versuche heute, optische integrierte Schaltkreise zu bauen, mit ähnlichen Funktionen wie man sie aus der Elektronik kenne, erklärt Rauschenbeutel. Andere Methoden, die Symmetrie des Lichts zu brechen, funktionieren nur bei sehr hohen Lichtintensitäten oder leiden an hohen optischen Verlusten – in der Nanotechnologie möchte man aber kleinste Lichtsignale verarbeiten können, bis hin zu Lichtpulsen, die bloß aus einzelnen Photonen bestehen.

Das Team von Arno Rauschenbeutel geht einen ganz anderen Weg: Man koppelt ein einzelnes Rubidium-Atom an das Lichtfeld eines sogenannten „Flaschen-Resonators“ – ein mikroskopisches bauchig geformtes Glasobjekt, an dessen Oberfläche das Licht im Kreis läuft. Bringt man einen solchen Resonator in die Nähe zweier ultradünner lichtleitender Glasfasern, dann koppeln die Systeme aneinander. Ohne Atom wechselt das Licht von einer Glasfaser über den Flaschen-Resonator in die jeweils andere Faser. Auf diese Weise ist jedoch noch kein Umlaufsinn für den Zirkulator festgelegt: Licht, welches auf diese Weise um 90° im Uhrzeigersinn umgelenkt wird, kann den gleichen Weg auch rückwärts – und damit gegen den Uhrzeigersinn – durchlaufen.

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