Caltech-Chip steuert Lichtstrahlen schneller als jede Elektronik

Ein Forschungsteam am Caltech hat einen Chip entwickelt, der Lichtstrahlen mit Licht selbst steuert und dabei eine Schaltgeschwindigkeit von 74 Femtosekunden erreicht. Das entspricht der Zeit, die Licht braucht, um die Breite eines menschlichen Haares zu durchqueren. Photonische Systeme gelten seit Jahren als vielversprechend für schnellere Kommunikationstechnik, leistungsfähigere Computer und empfindlichere Sensoren, doch die präzise und schnelle Steuerung von Licht blieb ein Engpass. Bisherige Methoden zur Strahlablenkung setzen auf elektronische Effekte und stoßen dabei an physikalische Grenzen im Nanosekunden- bis Pikosekundenbereich.

Ein Lichtstrahl steuert den anderen

Harry Atwater und sein Team am California Institute of Technology nutzen für ihren Chip zwei Lichtstrahlen: einen intensiven „Pump“-Strahl mit einem gezielt geformten Muster und einen schwächeren „Probe“-Strahl, der durch das Material tritt und dabei entsprechend dem Muster des Pump-Strahls abgelenkt wird. Grundlage dafür ist der optische Kerr-Effekt: Ein intensiver Lichtpuls verändert kurzzeitig den Brechungsindex eines Materials, indem er die Bewegung von Elektronen innerhalb ihrer Orbitale beeinflusst, ohne sie in höhere Energiezustände anzuregen. Dadurch entfällt die Wartezeit, die bei elektronischen Verfahren durch die Relaxation angeregter Elektronen entsteht.

Nanosäulen verstärken einen schwachen Effekt

Der Kerr-Effekt allein reicht für eine praktisch nutzbare Ablenkung nicht aus. Atwaters Team verstärkte ihn mit einer Metaoberfläche aus amorphem Silizium: Nanosäulen, jede kleiner als die Wellenlänge des Pump-Strahls, bremsen und rezirkulieren das Licht innerhalb der Struktur. Diese verlängerte Verweildauer verstärkt die geringe Änderung des Brechungsindex so weit, dass sie ein Signal erzeugt, das kräftig genug für eine messbare Strahlablenkung ist. Im Experiment erreichte das Team damit Ablenkwinkel von bis zu 13 Grad, begrenzt durch die Pulsdauer des Pump-Strahls von ebenfalls 74 Femtosekunden. Die tatsächliche Grenze setzt damit derzeit noch die Laserpulsdauer, nicht die Metaoberfläche selbst.

Anwendungen für Kommunikation und Sensorik

Claudio Hail, Erstautor der im Fachjournal Nature Nanotechnology veröffentlichten Studie, führte die Arbeit als Postdoktorand in Atwaters Labor durch und forscht inzwischen als Assistenzprofessor an der UC Berkeley. Mitautor Lior Michaeli lehrt mittlerweile an der Universität Tel Aviv. Mit weiterer Entwicklung könnte die Schaltgeschwindigkeit unter die aktuellen 74 Femtosekunden sinken und in den Bereich von Zeitkristallen und anderen zeitvariablen optischen Materialien vorstoßen. Das Team sieht Potenzial für deutlich schnellere Datenübertragung, leistungsfähigere Bildverarbeitung mit weit über einer Milliarde Bildern pro Sekunde und empfindlichere Sensoren für Fahrzeuge in der Luft und auf See.

via CalTech