Ein Kristall aus optischen Solitonen

  • 26. September 2017

Kompakte Kerr-Frequenzkämme mit verbesserten Eigenschaften.

Optische Frequenz­kämme haben die Messung von optischen und UV-Licht­frequenzen (um 1000 THz) revolu­tioniert, indem sie diese auf direkte Weise in elektronisch auszählbare Radio­frequenzen (bis etwa 50 GHz) übersetzen. Frequenz­kämme weisen eine Vielzahl von scharf umrissenen Frequenzen auf, die wie die Zähne eines Kamms einen einheit­lichen Abstand von­einander haben und einen großen Frequenz­bereich überdecken. Vor zehn Jahren brachten Tobias Kippen­berg und seine Mitarbeiter Frequenz­kämme in extrem minia­turisierter Form auf einem Mikrochip unter. Dazu regten sie mit einem konti­nuierlich strahlenden Laser Flüster­galeriemoden im kreis­förmigen Rand eines Mikro­resonators aus Quarzglas an.

Abb.: Ein kontinuierlich strahlender Laser regt über eine Engstelle in einer Glasfaser eine Flüstergaleriemode in einem Mikroresonator an. Die dort entstehende gepulste Strahlung, die einen Frequenzkamm bildet, wird ausgekoppelt und durch die Glasfaser abgeleitet. (Bild: D. C. Cole et al., NPG)

Abb.: Ein kontinuierlich strahlender Laser regt über eine Engstelle in einer Glasfaser eine Flüstergaleriemode in einem Mikroresonator an. Die dort entstehende gepulste Strahlung, die einen Frequenzkamm bildet, wird ausgekoppelt und durch die Glasfaser abgeleitet. (Bild: D. C. Cole et al., NPG)

Aufgrund des optisch nicht­linearen Kerr-Effektes entstanden im Resonator aus den Laser­photonen von einheit­licher Frequenz in einer Kaskade zusätzliche Photonen mit vielen weiteren Frequenzen, die einen Frequenz­kamm bildeten. Die entsprechende Strahlung bestand aus Lichtpulsen mit einer Puls­frequenz, die gleich der Frequenz­differenz zwischen benachbarten Zähnen im Frequenz­kamm war. Beim Kerr-Effekt ist der Licht­brechungs­index eines Materials von der Licht­intensität abhängig. Dadurch können sich Licht­pulse selbst fokus­sieren und ein durch Dispersion verur­sachtes Auseinander­laufen verhindern. Durch stetige Energie­zufuhr, die die Dissi­pation ausgleicht, können so Lichtpulse mit unveränder­lichem Intensitäts­profil entstehen. Mit solchen optischen Solitonen lassen sich Informa­tionen übertragen.

Die optischen Solitonen können aber auch zu perio­dischen Puls­folgen angeordnet werden und damit ihrerseits Frequenz­kämme bilden, die eine größere Inten­sität und Stabi­lität haben und möglicher­weise ein gerin­geres Rauschen aufweisen als die Frequenz­kämme aus „normalen“ Lichtpulsen. Solche kristall­förmigen Folgen von optischen Solitonen haben jetzt Forscher um Daniel Cole vom NIST in Boulder hergestellt und untersucht. Dazu haben sie mit einem konti­nuierlich strahlenden Pump­laser, dessen Frequenz abgestimmt werden konnte, über eine Glasfaser Flüster­galerie­moden in einem Mikro­resonator erzeugt. Die ange­regten Moden wurden wieder über die Glasfaser ausge­koppelt und konnten anschließend spektral untersucht werden. Zudem wurde auch gemessen, wie stark der Laser­strahl durch die Anregung der Resonator­moden abge­schwächt wurde.

Als die Forscher die Laser­frequenz stetig verrin­gerten, nahm die Inten­sität des durch die Glasfaser über­tragenen Laser­strahls konti­nuierlich ab. Das Spektrum der ausge­koppelten Resonator­moden zeigte, dass sich zunächst ein Frequenzkamm aus „normalen“ Licht­pulsen gebildet hatte, die perio­disch aufeinander folgten. Bei einer kritischen Laser­frequenz setzte chao­tisches Verhalten ein und die Lichtpulse folgten aperiodisch aufeinander. Bei einer zweiten kritischen Laser­frequenz kam es zu einem besonderen Resonanz­phänomen: Zwei verschiedene Resonator­moden, die unter­schiedliche Frequenzkämme hervor­riefen, waren zufällig entartet. Aufgrund des Kerr-Effekts wurde die Entartung jedoch aufgehoben und es trat eine deut­liche Verstärkung der Inten­sitäten der Kammfrequenzen auf. Die Licht­pulse wurden zu Solitonen, deren wellen­förmige Ausläufer sich konstruktiv über­lagerten. Dadurch entstand eine Hinter­grundwelle, die die einander anziehenden Solitonen auf Abstand hielt und zu einer regel­mäßigen Folge anordnete.

Abb.: Wird die Laserfrequenz stetig verringert, so tritt erst ein herkömmlicher Frequenzkamm auf (oben), dann chaotische Strahlung (Mitte) und schließlich ein solitonischer Frequenzkamm. (Bild: D. C. Cole et al., NPG)

Abb.: Wird die Laserfrequenz stetig verringert, so tritt erst ein herkömmlicher Frequenzkamm auf (oben), dann chaotische Strahlung (Mitte) und schließlich ein solitonischer Frequenzkamm. (Bild: D. C. Cole et al., NPG)

Während die Lichtpulse eines herkömm­lichen Frequenz­kammes keine Eigen­ständigkeit aufweisen und zeitlich starr angeordnet sind, verhielten sich die aufeinander folgenden Solitonen indi­viduell wie Atome in einem Kristall. Das zeigte sich als die Forscher die Laser­intensität erhöhten. Dadurch verstärkten sich die Schwankungen im chao­tischen Zwischen­bereich, der der Entstehung eines „Solitonen­kristalls“ vorausging, sodass es zu Kristall­fehlern kam: Es fehlten beispiels­weise einzelne Solitonen oder es gab Über­strukturen durch periodische Modulation des zeit­lichen Solitonen­abstands.

Durch diese gezielt hervor­gerufenen Fehler im Solitonen­kristall könnte man eine Vielzahl neuar­tiger Frequenz­kämme erzeugen, bei denen bestimmte Frequenzen mit außer­gewöhnlich großer Inten­sität auftreten. Außerdem lassen sich die soli­tonischen Frequenz­kämme wegen der ihnen zugrunde liegenden optischen Nicht­linearität wesent­lich effizienter anregen als herkömm­liche Frequenz­kämme.

Rainer Scharf

JOL

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