Optisch Schalten mit der Hohlfaser

  • 29. May 2009
Optisch Schalten mit der Hohlfaser     

Ein paar hundert Photonen können einen Lichtstrahl kontrollieren – mit Hilfe von Atomen in einer hohlen Glasfaser.

Durch Glasfasern lassen sich enorme Datenmengen optisch übertragen, weil sich in einer Faser viele Lichtwellen gleichzeitig ausbreiten können, ohne sich gegenseitig zu stören. Erst durch eine nichtlineare Wechselwirkung zwischen Licht und Materie wird es möglich, mit einer Lichtwelle eine andere zu beeinflussen. Effiziente, rein optische Schalter, in denen Licht mit Licht kontrolliert wird, würden die Informationsverarbeitung revolutionieren. Wie sich solch ein Schalter realisieren ließe, zeigen optische Experimente mit kalten Atomen in einer hohlen Glasfaser, die Forscher um Mikhail Lukin an der Harvard University durchgeführt haben.

Die etwa 3 cm lange Glasfaser hatte einen Kern, der als photonischer Kristall strukturiert war und in der Mitte ein wenige Mikrometer großes Loch aufwies. Dieser längs der Faser laufende Hohlraum konnte sowohl Laserlicht leiten als auch Atome aufnehmen. Im Vakuum wurden lasergekühlte Rubidium-Atome von oben her in den Hohlraum der senkrecht stehenden Faser eingefüllt. Ein Laserstrahl, der rotverstimmt gegen eine Resonanz des Rubidiums war, hielt die herabfallenden Atome in der Mitte des Hohlraumes und verhinderte, dass sie an der Wand haften blieben.

Es wurden noch zwei weitere Laserstrahlen unterschiedlicher Frequenz durch die Faser geschickt: Ein Kontrollstrahl (pump beam) brachte die Atome in einen gewünschten Zustand, sodass sie auf einen Sondenstrahl (probe beam) einwirken konnten. Auf diese Weise riefen die Forscher verschiedene nichtlineare Effekte hervor. In einem Fall wurden die Atome im Grundzustand mit dem Kontrollstrahl angeregt, woraufhin sie in einen anderen Zustand relaxierten, von dem aus sie den Sondenstrahl absorbieren konnten. Mit etwa 300 Photonen im Kontrollstrahl konnte die Absorption des Sondenstrahls eingeschaltet werden, wodurch die Transmission um 50 % abnahm.

Ein weiteres Beispiel ist die elektromagnetisch induzierte Transparenz. Während die Rubidiumatome normalerweise den Sondenstrahl bei einer bestimmten Frequenz stark absorbierten, konnte diese Absorption mit Hilfe des Kontrollstrahls ausgeschaltet werden. Der Kontrollstrahl rief eine destruktive Interferenz zwischen zwei atomaren Übergängen des Rubidiums hervor, die die Anregung der Atome durch den Sondenstrahl unterdrückte. Dazu waren allerdings mehrere Tausend Kontrollphotonen nötig, die die Atome überfluteten und  dadurch „transparent“ machten.

In einem dritten Experiment wurde die elektromagnetisch induzierte Transparenz mit Hilfe eines weiteren Laserstrahls ausgeschaltet. Es reichten etwa 700 Photonen aus, um die destruktive Interferenz so stark zu stören, dass die induzierte Transparenz merklich nachließ und der Sondenstrahl wieder stark absorbiert wurde. Ähnliche nichtlineare optische Effekte hatte man natürlich auch schon in früheren Experimenten mit atomaren Gasen gesehen. Doch jetzt reichten wesentlich schwächere Lichtintensitäten und geringere Photonenzahlen, um diese Effekte auszulösen. Der Grund dafür ist, dass die Atome und die Laserstrahlen auf sehr engem Raum eingeschlossen sind und intensiv miteinander wechselwirken. Auf diese Weise lässt sich vielleicht schon bald erreichen, dass Photonen paarweise miteinander nichtlinear  wechselwirken.

RAINER SCHARF

Weitere Infos:

Weitere Literatur:

KR

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