Aus Licht wird Dunkelheit

Mikroresonatoren sind kleine Strukturen aus Glas, in denen Licht zirkulieren und sich dadurch verstärken kann. Allerdings streuen kleinste Uneben­heiten im Material einen Teil des Lichts ständig zurück, was die die Funktion der Resonatoren einschränkt. Wissen­schaftlern ist es jetzt gelungen, diesen Störeffekt weitgehend zu unter­drücken. Ihre Erkennt­nisse können viele Anwendungen der Mikro­resonatoren verbessern: in Feldern wie der Mess­technik, etwa genauere Sensoren für Drohnen, bis hin zur optischen Informa­tions­ver­arbeitung in Glas­faser­netzen und Computern.

Um den unerwünschten Effekt zu verringern, ließ sich das deutsch-britische Team von Noise-Cancelling-Kopfhörern inspirieren. „In diesen Kopfhörern wird phasen­ver­schobener Schall abgespielt, um unerwünschte Hinter­grund­geräusche zu unter­drücken“, erklärt Andreas Svela vom Imperial College London. „In unserem Fall nutzen wir phasen­verschobenes Licht, um das rück­reflek­tierte Licht zu unter­drücken.“

Um das phasenverschobene Licht zu erzeugen, nutzen die Wissen­schaftler eine scharfe Spitze aus Wolfram in der Nähe der Ober­fläche des Mikro­resonators. Genau wie die intrin­sischen Uneben­heiten erzeugt auch die Metall­spitze Rück­streuung. Aber es gibt einen wichtigen Unter­schied: Die Phase des Lichts, das von der Metall­spitze reflektiert wird, lässt sich durch deren Position kontrol­lieren und verändern. Das ermöglicht es den Forschern, das durch die Metall­spitze reflek­tierte Licht so mit der Rück­streuung im Ring wechsel­wirken zu lassen, dass sich die Reflexionen gegen­seitig aufheben – sie erzeugen Dunkelheit mit Licht.

„Es ist nicht intuitiv, dass wir die Rück­streuung verringern können, indem wir eine zusätz­liche Streuungs­quelle hinzu­fügen“, sagt Gruppen­leiter Pascal Del’Haye vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts. Die Arbeit des Teams zeigt eine rekord­ver­dächtige Verringerung von über 30 Dezibel im Vergleich zur intrin­sischen Rück­streuung. Anders ausge­drückt: die Methode reduziert die unerwünschten Effekte auf ein Tausendstel.

„Diese Ergebnisse sind von großer Bedeutung, da sich die Methode bei sehr vielen existie­renden und künftigen Techno­logien anwenden lässt, die mit Mikro­resonatoren arbeiten“, sagt Michael Vanner vom Imperial College London. Beispiels­weise kann die Technik dazu beitragen, bessere Gyroskope herzu­stellen. Auch trag­bare optische Spektro­skopie-Systeme können damit verbessert werden. Das eröffnet neue Möglich­keiten wie etwa Sensoren in Smart­phones, die gefähr­liche Gase erkennen oder die Qualität von Lebens­mitteln einschätzen können. Auch optische Glas­faser­netze profitieren von der Technik, da eine bessere Signal­qualität die Über­tragung von mehr Daten erlaubt.

MPL / RK

Weitere Infos

• Originalveröffentlichung
  A. Ø. Svela et al.: Coherent suppression of backscattering in optical microresonators, Light: Science and Applications 9, 204 (2020); DOI: 10.1038/s41377-020-00440-2
• Mikrophotonik (P. Del’Haye), Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen
• Quantum Measurement Lab, Imperial College London, Großbritannien