Korkenzieher-Photonen auf einem Chip

  • 13. December 2018

Wellenleiter trans­por­tiert erst­mals helikale Licht­wellen mit hoher Effi­zienz.

Die Menge an Informationen, die durch die globalen Glas­faser­netze strömen, nimmt beständig und rasant zu. Forscher ver­suchen des­halb schon lange, mit ver­schie­denen Multi­plexing-Ver­fahren immer mehr Infor­ma­tionen in die Leitungen zu quetschen, etwa durch Wellen­längen- oder Polari­sa­tions-Multi­plexing. In den ver­gan­genen Jahren ist ein zusätz­licher Frei­heits­grad in den Fokus gerückt, der zwar prinzi­piell schon lange aus den Gleichungen der Elektro­dynamik bekannt war, der aber techno­logisch kaum zur Anwen­dung gekommen ist: Heli­kale Licht­wellen mit einem bestimmten Bahn­dreh­impuls können auf jedem bis­herigen Kanal die Über­tragungs­kapa­zi­täten ver­viel­fachen. Diese Zustände sind zuein­ander ortho­gonal, stellen also im Prinzip beliebig viele unab­hängige Kanäle zur Ver­fügung.

Korkenzieher-Photonen

Abb.: Durch jede einzelne Glas­faser können im Prinzip mehrere heli­kale Licht­wellen gleich­zeitig laufen, wobei ihr Bahn­dreh­impuls zuver­lässig erhalten bleibt. (Bild: Y. Chen et al. / APS)

Allerdings werden bei höheren Drehimpulsen die heli­kalen Licht­wellen ein­ander zuneh­mend ähn­licher, so dass sie sich immer schwie­riger unter­scheiden lassen und immer größere Sende- und Empfangs­technik not­wendig wird. Mit ent­sprechend ein­facher und robuster Technik sollten sich aber zumindest einige zusätz­liche Kanäle für das Multi­plexing öffnen. Bislang ließen sich solche korken­zieher­artig ver­wundenen Licht­wellen zwar erzeugen und auch in Frei­land­ver­suchen ein­setzen. Auch die Über­tragung in Glas­fasern konnte bereits gezeigt werden. Für die opto­elek­tro­nische Daten­ver­arbei­tung ebenso wie für mög­liche Anwen­dungen im Quanten­computing sind jedoch inte­grierte Chips von Inte­resse, deren Erzeu­gung sich bislang als schwierig erwiesen hat. Forscher um Xian-Min Jin von der Jiao Tong Univer­sity Shanghai in China haben nun einen photo­nischen Chip präsen­tiert, der heli­kale Wellen nicht nur trans­por­tieren kann, sondern der zugleich auch unsaubere Wellen heraus­filtert, so dass nur Photonen mit wohl­defi­niertem Bahn­dreh­impuls hindurch­laufen.

Gegenüber der Freiland-Übertragung bieten solche integrierte Lösungen den Vorteil, dass sich die Trans­missions­bedin­gungen gezielt ein­stellen lassen. Ver­suche mit heli­kalen Tera­hertz- oder Infra­rot-Wellen hatten in der Ver­gangen­heit damit zu kämpfen gehabt, die Ver­zer­rung der Wellen­fronten durch Luft­wirbel und Turbu­lenzen nach­voll­ziehen zu können. Bei her­kömm­lichen Glas­fasern sieht es noch deut­lich schlechter aus: Sie ver­rauschen die heli­kalen Wellen­fronten so stark, dass sich die zusätz­lichen Infor­ma­tionen schon nach kurzer Distanz nicht mehr aus­lesen lassen. Die Kombi­na­tion passender optischer Chips mit ent­sprechenden Glas­fasern könnte nicht nur diese Probleme ver­meiden: Da auch Über­lage­rungs­zustände von Photonen mit unter­schied­lichen Bahn­dreh­impulsen möglich sind, ließen sich auf diese Weise auch Quanten­infor­ma­tionen über­tragen.

Der Clou bei neuartigen optischen Chips: Die Wissen­schaftler arbei­teten mit einem spezi­ellen Index­profil, das sie mit Hilfe von ultra­kurzen Laser­pulsen in das Material schrieben. Dazu nutzten sie Pulse von grünem Laser­licht von 290 Femto­sekunden Länge und einer Wieder­hol­rate von einem Mega­hertz, die sie auf einen Wafer aus Boro­silikat­glas fokus­sierten. Das inten­sive Laser­licht beein­flusst den Brechungs­index dieses Materials, wobei die Forscher dank der kurzen Pulse mit hoher Präzi­sion arbeiten konnten. So erzeugten sie zwölf über­lappende Kanäle mit hohem Brechungs­index ring­förmig um einen zentralen Kanal mit niedrigem Index. Bei einigen Wellen­leitern gelang es, die Über­tra­gungs­qualität weiter zu erhöhen, indem im Zentrum dieses inneren Kanals ein weiterer Kanal mit hohem Brechnungs­index hinzu­gefügt wurde.

Die Wellenleiter hatten eine Länge von etwa zwei Zenti­metern und einen Durch­messer von etwa zehn Mikro­metern. Es gelang den Forschern, damit zuver­lässig Licht­moden mit Bahn­dreh­impuls-Quanten­zahlen von l = +1, −1 und 0 zu über­tragen. Zwar war ein Inten­sitäts­ver­lust zu ver­zeichnen, aber am Aus­gang hatte das Signal immer noch eine Stärke von sechzig Prozent. Bei höheren Bahn­dreh­impulsen ist aller­dings mit einer zuneh­mend stärkeren Dämpfung zu rechnen. Das Interes­sante an diesem Chip ist aber auch, dass die Über­tra­gung ein­zelner heli­kaler Photonen gelang. Sie ließen sich in den Chip ein- und wieder aus­koppeln. Damit ergibt sich die inte­res­sante Option für die Quanten­infor­ma­tions­ver­arbei­tung, diesen Frei­heits­grad zur Über­mitt­lung von Über­lage­rungs­zu­ständen in quanten­krypto­gra­phischen Netz­werken zu nutzen.

Selbst wenn der Einsatz von Bahndrehimpuls-Multiplexing-Kompo­nenten in der Daten­über­tragung noch auf sich warten lassen wird, könnten sie sich dennoch an anderer Stelle als nützl­ich erweisen: Bei optischen Pinzetten und Fallen kommen helikale Licht­wellen bereits zum Ein­satz. Die Methode der Shanghaier Forscher könnte sich für solche Techniken oder auch für quanten­optische Abbil­dungs­ver­fahren als hilf­reich erweisen.

Dirk Eidemüller

RK

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