Lichtverzögerung im Chip

  • 09. September 2010

In einer gasgefüllten hohlen Glasfaser wurde Infrarotlicht auf ein 1200-stel der Lichtgeschwindigkeit abgebremst.

Wenn sich Licht in einer gasgefüllten hohlen Glasfaser ausbreitet, aus der es seitlich nicht entweichen kann, wechselwirkt es sehr intensiv mit den Gasatomen. Dadurch treten auch schon bei geringen Lichtintensitäten nichtlineare optische Effekte auf, die man nutzen kann, um mit einem Lichtstrahl einen anderen zu steuern. So reichen schon wenige Photonen aus, um durch elektromagnetisch induzierte Transparenz (EIT) eine mit Rubidiumgas gefüllte Faser lichtdurchlässig zu machen. Jetzt haben US-amerikanische Forscher infrarote Lichtpulse in solch einer Glasfaser mit Hilfe der EIT auf 250 km/s abgebremst. Damit konnte Licht erstmals in einem Chip verlangsamt werden.

Abb.: Ein Wafer mit lichtbremsenden Chips. (Bild: Bin Wu et al., Nature Photonics)

Vor elf Jahren hatten Lene Vestergaard Hau und ihre Kollegen Lichtpulse auf 17 m/s abgebremst, indem sie das Licht durch ein Bose-Einstein-Kondensat aus Natriumatomen laufen ließen. Das Kondensat hatten sie durch Bestrahlung mit Laserlicht für die Lichtpulse transparent gemacht. Laserlicht und Lichtpulse brachten die Atome aus zwei unterschiedlichen Ausgangszuständen in einen gemeinsamen Endzustand. Hatte das gepulste Licht eine bestimmte Frequenz, so kam es zu destruktiver Interferenz zwischen den beiden Anregungsvorgängen und die Pulse konnten die Atome nicht mehr anregen. Es trat EIT auf. Bei einer kleinen Veränderung der Lichtfrequenz änderten sich die optischen Eigenschaften des Kondensats erheblich, wodurch der Brechungsindex gigantische Werte annahm und die Geschwindigkeit der Pulse sehr klein wurde.

Abb.: Das Licht tritt von links (Pfeil) in die Glasfaser ein, deren mittlerer, hohler Teil (rosa) mit zwei Gasreservoirs verbunden ist. (Bild: Bin Wu et al., Nature Photonics)

Diesen spektakulären Effekt, wenn auch in abgeschwächter Form, haben jetzt Holger Schmidt von der UC Santa Cruz und seine Kollegen von der Brigham Young University in einem daumennagelgroßen Chip beobachtet. Den Chip hatten sie aus einem von ihnen produzierten Wafer herausgetrennt, der insgesamt 32 solcher Chips enthielt. Im Innern eines Chips befand sich eine Glasfaser, deren Kern einen niedrigen Brechungsindex hatte. Der Kern war von unterschiedlichen dielektrischen Schichten aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid umgeben, die so bemessen waren, dass sie das Licht fast vollständig reflektierten und daran hinderten, seitlich aus der Faser zu entweichen.

Im mittleren Drittel der etwa 1 cm langen Faser war der Kern hohl. Dieser etwa 10 µm durchmessende Tunnel hatte an seinen beiden Enden seitliche Ausgänge, die mit gasgefüllten, versiegelten Reservoirs verbunden waren. Aus ihnen diffundierte das Rubidiumgas in den hohlen Glasfaserkern und erreichte dort bei einer Temperatur von 80 °C eine atomare Dichte von etwa 1012 cm-3, wie Lichtabsorptionsmessungen ergaben. Die Innenwand des Tunnels hatten die Forscher mit einer Monolage ODMS (Octadecyldimethylmethoxysilan) beschichtet, um den störenden Einfluss der Kollision der Atome mit den Wänden zu minimieren.

Dann konnte die Lichtverzögerung beginnen. Dazu schickten die Forscher einen Kontroll- und einen Sondenstrahl durch die Glasfaser, die im hohlen Teil der Faser die Atome anregten. Der Kontrollstrahl war exakt auf den Übergang 5S1/2(F=3)→5P3/2(F=3) abgestimmt, der Sondenstrahl nahezu auf den Übergang 5S1/2(F=2)→5P3/2(F=3). Beide Übergänge hatten also denselben oberen Zustand, sodass die Voraussetzungen für EIT erfüllt waren. Die Intensität des am anderen Ende der Glasfaser wieder austretenden Sondenstrahls wurde in Abhängigkeit von seiner Frequenz gemessen. Kam die Frequenz des Sondenstrahls der zugehörigen atomaren Übergangsfrequenz näher, so nahm zunächst die Lichtdurchlässigkeit der Faser ab, um aber an der Übergangsfrequenz deutlich zuzunehmen. Die gasgefüllte Faser war transparent geworden.

In diesem Frequenzbereich untersuchten die Forscher, ob sich der Sondenstrahl verlangsamt ausbreitete. Mit einem optoakustischen Modulator formten sie aus dem Strahl 20 ns lange Pulse, deren Ausbreitung durch die gasgefüllte Faser sie mit der Ausbreitung von Referenzpulsen außerhalb des Chips verglichen. Dabei traten zeitliche Verzögerungen der Sondenpulse von bis zu 16 ns auf. Die Länge der Pulse wurde im Chip von 6 m auf 5 mm gestaucht. Ihre Gruppengeschwindigkeit lag bei 250 km/s, was einem Brechungsindex von 1200 entspricht. Die gasgefüllte Glasfaser verlangsamte demnach das Licht siebenmal stärker als man es bisher mit Glasfasern aus photonischen Kristallen erreichen konnte.

Schaltet man den Kontrollstrahl aus, so verschwindet die EIT. Macht man dies, während der Sondenpuls in der Faser ist, so kommt er zum Stillstand und wird als lokale Anregung der Atome „eingefroren“. Schaltet man den Kontrollstrahl wieder ein, so kann der Lichtimpuls im Idealfall seine Reise in der Lichtfaser fortsetzen. Auf diese Weise ließen sich mit dem Chip optische Informationen speichern. Die hohe Temperatur des Rubidiumgases könnte allerdings die Qualität des Speichers beeinträchtigen. Doch in jedem Fall eröffnet der lichtbremsende Chip interessante Möglichkeiten für die optische Informationsverarbeitung.

RAINER SCHARF

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PH

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