Einbahnstraße für Licht

  • 05. August 2011

In einem Lichtwellenleiter aus Metall und Silizium breiten sich Lichtwellen unumkehrbar aus.

Während man zur schnellen Übertragung großer Datenmengen zumeist Licht in Glasfasern benutzt, nimmt man zur Verarbeitung der Daten weiterhin „langsame“ elektronische Chips. Mit photonischen Chips könnte man die Verarbeitungsraten jedoch beträchtlich erhöhen. Doch für photonische Chips benötigt man leistungsfähige Lichtdioden, die die Photonen nur in eine Richtung durchlassen. Jetzt haben Forscher vom Caltech und von der UC San Diego solch eine Einbahnstraße für Licht hergestellt.

Lichtwellenleiter mit Vorzugsrichtung.

Abb.: Lichtwellenleiter mit Vorzugsrichtung. (Quelle: Liang Feng et al., Science)

Wenn ein Wellenleiter Wellen in die eine Richtung besser transportiert als in die andere, so bricht er die  Zeitumkehrsymmetrie: Das zeitliche Spiegelbild einer Welle entspricht dann keiner tatsächlich auftretenden Welle mehr. Vor zwei Jahren hatten Forscher am MIT die Zeitumkehrsymmetrie eines Mikrowellenleiters mit Hilfe von magnetischen  Materialien gebrochen und auf diese Weise eine „Einbahnstraße“ für Mikrowellen hergestellt. Doch solche  magnetooptischen Verfahren und Materialien vertragen sich nicht mit der gängigen Halbleitertechnologie.

Doch jetzt haben Liang Feng vom Caltech und seine Kollegen einen Weg gefunden, die Zeitumkehrsymmetrie auf nichtmagnetische Weise zu brechen. Sie konstruierten einen Wellenleiter, der eine sogenannte PT-Symmetrie hatte, die dann spontan gebrochen wurde. Eine PT-Symmetrie liegt vor, wenn der Energieoperator mit dem Produkt aus Paritäts- und Zeitumkehroperator vertauscht. Anschaulich heißt das: Spiegelt man den Wellenleiter und lässt die Zeit rückwärts laufen, so erhält man einen Wellenleiter, der dieselben Eigenschaften hat wie der ursprünglich. In der Quantenmechanik sind PT-invariante Systeme interessant, weil ihr Hamilton-Operator „nicht-hermitesch“ und damit unphysikalisch ist, aber trotzdem reelle Energieeigenwerte besitzt.

Kürzlich hatten Forscher um Detlef Kip von der TU Clausthal einen PT-symmetrischen Lichtwellenleiter hergestellt, der oberhalb einer bestimmten Lichtintensität seine PT-Symmetrie spontan verlor. Die PT-Symmetrie spielte dabei die Rolle einer verallgemeinerten Zeitumkehrsymmetrie, deren Brechung dazu führte, dass der Wellenleiter eine Vorzugsrichtung entwickelte. Liang Feng und seine Kollegen haben es nun geschafft, einen Wellenleiter so zu strukturieren, dass auch für beliebig kleine Lichtintensitäten seine PT-Symmetrie spontan gebrochen wird und er eine Vorzugsrichtung aufweist.

Der Wellenleiter bestand aus einem 200 nm dicken und 800 nm breiten Siliziumstreifen auf einer Siliziumoxidunterlage. Durch kleine Inseln aus Silizium bzw. Germanium und Chrom, die in regelmäßigen Abständen an den Seiten des Siliziumstreifens angebracht waren, wurde der komplexe Brechungsindex des Wellenleiters periodisch moduliert. Dadurch erreichten die Forscher, dass der Wellenleiter eine PT-Symmetrie hatte. Der Wellenleiter war so bemessen, dass bei einer Wellenlänge von 1,55 µm zwei Moden angeregt werden konnten: eine symmetrische und antisymmetrische.

Die Berechnungen der Forscher zeigten, dass die PT-Symmetrie spontan gebrochen wurde, was dazu führte, dass in der einen Ausbreitungsrichtung Photonen der symmetrischen Mode in die der antisymmetrischen Mode umgewandelt werden konnten, in der anderen Ausbreitungsrichtung hingegen nicht. Computersimulationen bestätigten dies. In der einen Richtung ließ der Wellenleiter die symmetrische Mode problemlos durch. In der anderen Richtung hingegen regte die symmetrische Mode die antisymmetrische Mode an und wurde dadurch erheblich abgeschwächt.

Schließlich führten die Forscher Experimente mit ihrem Wellenleiter durch, wobei sie die Lichtintensität im Innern des Wellenleiters mit einem optischen Rasternahfeldmikroskop aufnahmen. Während in der einen Richtung ein Lichtstrahl der symmetrischen Mode problemlos den Wellenleiter durchquerte, zeigten sich in der anderen Ausbreitungsrichtung schon nach etwa 10 µm starke Beiträge von der antisymmetrischen Mode, die dem Lichtstrahl eine komplizierte Intensitätsverteilung gaben.

Indem man die antisymmetrische Mode herausfiltert, kann man dem Wellenleiter für die symmetrische Mode eine Vorzugsrichtung geben und ihn zur Lichtdiode machen. Die Forscher weisen darauf hin, dass diese „Lichteinbahnstraße“ linear arbeiten würde und keine Schwellenintensität hätte, also schon für beliebig kleine Lichtintensitäten funktionieren würde. Das benutzte Verfahren der spontanen PT-Brechung ließe sich übrigens auch auf andere Wellen wie etwa Schallwellen übertragen.

Rainer Scharf

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