Informations- und Kommunikationstechnologien Kleinere Bauelemente dank nichtlinearem Material

Autor / Redakteur: Heike Probst / M.A. Frauke Finus

Forschern der Universität Paderborn ist es in Zusammenarbeit mit Kollegen der Universität Birmingham, England, gelungen, gezielt die nichtlinearen optischen Eigenschaften in einem künstlich strukturierten Material zu verändern. Auf diese Weise lassen sich komplett neue Materialeigenschaften ausbilden, die in natürlich vorkommenden Materialien nicht zu realisieren sind.

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Im gezeigten Beispiel lässt sich durch eine Verdrehung jeder einzelnen Struktur die Phase richtig einstellen und es kommt zu einer positiven Überlagerung mit einem starken Signal.
Im gezeigten Beispiel lässt sich durch eine Verdrehung jeder einzelnen Struktur die Phase richtig einstellen und es kommt zu einer positiven Überlagerung mit einem starken Signal.
(Bild: Universität Paderborn)

Mit der Entwicklung dieses neuen Konzeptes zur Beeinflussung der nichtlinearen Eigenschaften eines Materials erhoffen sich die Forscher rund um Prof. Dr. Thomas Zentgraf, Leiter der Arbeitsgruppe am Department Physik der Universität Paderborn in Zukunft komplexere und auch kleinere optische Bauelemente zu realisieren. Insbesondere bei der optischen Kommunikationstechnologie und Quantenkommunikation spielen Frequenzumwandlungen häufig eine wichtige Rolle und sind auf eine Hand voll in der Natur vorkommender Materialsysteme beschränkt. „Nun haben wir ein neues Werkzeug in der Hand, um diese Prozesse zu kontrollieren und auch effizienter zu gestalten“, erklärt Zentgraf.

Verwendung von Licht in der Datenübertragung

Es sind eine ganze Reihe von optischen Effekten bekannt, die erst bei sehr hohen Intensitäten von Licht in Erscheinung treten. Einige dieser Effekte finden sich mittlerweile sogar im täglichen Leben wieder: Bestimmte Frequenzen von Laserlicht werden heute standardmäßig durch nichtlinear-optische Effekte wie der Frequenzverdopplung erzeugt und moderne optische Datenspeicher erreichen mit Hilfe von nichtlinearen Effekten höhere Speicherkapazitäten.

Die nichtlineare Optik ist aber auch aus einem ganz anderen Grund für die Forschung äußerst interessant. Die immer höheren Anforderungen an eine schnelle Datenübertragung und Datenverarbeitung können nur noch durch die Verwendung von Licht erfüllt werden. „In naher Zukunft werden elektronische Bauelemente zunehmend durch optische ersetzt werden. Hier wird die nichtlineare Optik eine wichtige Rolle spielen“, erwartet Zentgraf. Da sich beispielsweise die Ausbreitung von Licht nicht direkt mit anderem Licht beeinflussen lässt, ist immer eine kurzzeitige Wechselwirkung mit einem Material notwendig. Das Material übernimmt dabei eine Art Vermittlerrolle zwischen den zwei Lichtwellen. Aber diese Wechselwirkung ist teilweise nur sehr schwach. Deshalb ist Licht schwierig zu kontrollieren und nichtlineare Effekte nur bei sehr hohen Intensitäten zu beobachten.

Laufzeitunterschiede im Material ausgrelichen

Damit nichtlineare Effekte mit einer nennenswerten Effizienz ablaufen, muss das Material bestimmte Eigenschaften besitzen. Unter anderem spielt die Phasengeschwindigkeit des Lichts, also die Geschwindigkeit mit der sich die Welle bei einer bestimmten Frequenz ausbreitet, eine entscheidende Rolle. Hier zeigen alle natürlichen Materialien einen ähnlichen Effekt: Licht unterschiedlicher Frequenzen breitet sich unterschiedlich schnell in einem Material aus. In der Regel läuft blaues Licht langsamer durch ein Stück Glas als rotes Licht. Dies behindert die effiziente Umwandlung von Licht oder die Wechselwirkung von Licht mit anderem Licht. Eine starke Wechselwirkung wäre aber die Voraussetzung für optische Bauelemente, die ganz ohne Elektronik auskommen. Die unterschiedliche Geschwindigkeit führt nun zu einer Verzögerung zwischen den beiden Wellen, was sich wiederum auf die Effizienz der Umwandlung auswirkt. Unter der Voraussetzung einer starken Anregung durch eine Lichtwelle agiert jedes Atom im Material wie eine kleine Quelle für die neuen Frequenzen. Damit es nun zum Aufbau einer deutlichen Intensität kommt, müssen alle diese Quellen richtig überlagert werden. Der Physiker spricht von konstruktiver Interferenz, wie sie auch bei Wasserwellen beobachtet werden kann. Die kleinen auftretenden Laufzeitunterschiede verhindern dies jedoch.

Die Forscher aus Paderborn und Birmingham entwickelten nun ein Konzept, mit dem sich diese Laufzeitunterschiede in einem Material ausgleichen lassen. Durch eine gezielte Strukturierung des Materials mit kleinen metallischen Strukturen im Bereich von 100 nm kann lokal eine kleine Verzögerung bei der Erzeugung des neuen Lichts im Material erreicht werden, so dass es wieder die „richtige“ Lage hat und es durch eine positive Überlagerung zu einer Verstärkung kommt. Diese Grundlagenforschung ist eine entscheidende Voraussetzung für die Entwicklung neuartiger Komponenten im Bereich der Informations- und Kommunikationstechnologien.

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