Optische Kommunikation Verwirbeltes Licht

Prof. Federico Capasso

Die Bandbreite von Datennetzen ständig weiter auszubauen, ist nur begrenzt möglich, weshalb neue Wege gefragt sind. Eine mögliche Lösung eröffnet eine Sonderform des Lichts: optische Strudel oder Wirbel. Hier drehen sich die elektromagnetischen Wellen, so dass eine Korkenzieherform entsteht.

Diese spezielle Ausprägung von Laserlicht findet sich seit Jahrzehnten in Lehrbüchern der physikalischen Optik, doch galt das Thema lange selbst für theoretische Physiker als zu exotisch. Dementsprechend wenig erforscht ist dieses Gebiet. In letzter Zeit ändert sich dies, denn die optischen Wirbel könnten dabei helfen, mehr Infomationen durch Glasfasern zu schicken.

Einen Schritt hin zu diesem Ziel haben nun Wissenschaftler an der Harvard School of Engineering and Applied Sciences (SEAS) getätigt: Ein Zusatzinstrument soll herkömmlichen optischen Detektoren, die eigentlich lediglich die Lichtintensität messen, die Fähigkeit verleihen, die Rotation der Wellenfronten zu untersuchen.

Bereits Mitte 2012 veröffentlichten Physiker der Friedrich-Schiller-Universität Jena um Prof. Dr. Christian Spielmann (Lehrstuhl für Quantenelektronik) ein Paper in Nature, in dem sie darlegen, dass diese optischen Wirbel viel stabiler sind als klassisch vorhergesagt und - besonders wichtig für die Kommunikationstechnik - ihre Oberwellen ein sehr interessantes Verhalten zeigen.

Der Jenaer Doktorand Michael Zürch erläutert: »Bei optischen Wirbeln aus Laserlicht handelt es sich um ringförmige Laserstrahlen, deren Intensität in der Mitte des Strahls Null wird«. Diese Mitte, die Physiker Singularität nennen, könne man sich als den Abfluss in der Badewanne oder das Auge des Wirbelsturms vorstellen. »Wie ein Korkenzieher verläuft die Wellenfront der Laserstrahlung um diesen Mittelpunkt herum«, so Zürch, der Erstautor der Publikation (M. Zürch, C. Kern, P. Hansinger, A. Dreischuh and Ch. Spielmann: Strong-field physics with singular light beams, Nature Physics 2012, DOI: 10.1038/NPHYS2397). Für optische Wirbel sei eine Reihe von Anwendungen denkbar, etwa als »Laserpinzette« zur Manipulation winziger Teilchen, zur Teilchenbeschleunigung aber auch zur optischen Nachrichtenübertragung.

Stabile Laserwirbel erzeugt

Um die Stabilität ihrer Laserwirbel zu testen, haben die Jenaer Physiker wirbelnde Laserpulse durch Argon-Gas geschickt. Das Gas wird durch den Laser ionisiert und setzt einen Prozess in Gang, der die Wellenlänge des Laserlichts vom infraroten in den Bereich der Röntgenstrahlung verschiebt. Wie sie anschließend feststellten, ist auch der resultierende Röntgenstrahl ein optischer Wirbel. »Die Laserwirbel erweisen sich damit als deutlich stabiler, als wir dachten«, bilanziert Prof. Spielmann.

Der Lehrstuhlinhaber und sein Team machten außerdem noch eine weitere interessante Beobachtung: Im starken elektromag­netischen Feld entstehen Oberwellen - das sind Vielfache der Grundfrequenz des Laserstrahls - welche die ursprüngliche Laserfrequenz überlagern. Bisher war bekannt, dass die Wirbel bei der zweiten und dritten Oberwelle, eine doppelte bzw. dreifache Drehgeschwindigkeit aufweisen.

»Wir haben nun erstmals sehr hohe Oberwellen untersuchen können, nämlich Wellen 23. Ordnung«, sagt Michael Zürch. Diese hätten, so die bisherige Theorie, 23 Mal so schnell wie der Ausgangspuls wirbeln müssen. Das sei aber nicht der Fall. Stattdessen rotierten Oberwellen der 23. Ordnung mit exakt derselben Geschwindigkeit wie der ursprüngliche Laserpuls.

Mit diesen durch mehrere unabhängige Messungen bestätigten Ergebnissen sorgten die Jenaer Wissenschaftler im vergangenen Jahr für Furore in der Fachwelt. »Diese Beobachtungen stehen im Widerspruch zu den bisherigen theoretischen Vorhersagen«, so Prof. Spielmann. Die neuen Erkenntnisse seien nicht nur für die weitere Erforschung optischer Wirbel relevant, sondern lassen sich prinzipiell auch auf andere physikalische Phänomene, bei denen Wirbel eine Rolle spielen, übertragen.

Auf dem Weg zur Anwendung

Noch ist aus den Ergebnissen der Grundlagenforschung natürlich noch keine praktische Anwendung erwachsen, doch ist das Messinstrument der Harvard-Physiker um Federico Capasso, den »Robert L. Wallace Professor of Applied Physics and Vinton Hayes Senior Research Fellow in Electrical Engineering« an der SEAS ein großer Schritt in diese Richtung. Die Ergebnisse wurden in Nature Communications (Article number: 1278 doi:10.1038/ncomms2293) unter dem Titel »Holographic detection of the orbital angular momentum of light with plasmonic photodiodes« veröffentlicht.

Bislang waren Detektoren für Laserwirbel äußerst komplex, unhandlich und teuer. Das Prinzip hinter der Entdeckung des Teams um Prof. Capasso ist verblüffend einfach: Das Eingangs-»Fenster« eines preiswerten Photodetektors wird mit Goldstrukturen versehen. Diese wirken als holografische Filter und koppeln über den Orbital-Drehimpuls jeweils mit einem bestimmten Typ von Wirbelstrahl. Bei dem Orbital-Drehimpuls handelt es sich effektiv um die Windungszahl des »Korkenziehers« pro Wellenlänge.

Auf diese Weise kann der Detektor zwischen unterschiedlichen Wirbeltypen unterscheiden. Wenn diese Technik einmal in der optischen Kommunikationstechnik Verwendung findet, können die Lichtwirbel eine zusätzliche Übertragungsebene schaffen und somit die Kapazität der Lichtwellenleiter erhöhen.

Prof. Capasso erläutert dies näher: »Kommunikationssysteme, die das Wellenlängen-Multiplex-Verfahren mit monomodalen Lichtleitern nutzen, besitzen eine obere Grenze der Informationsübertragungs-Rate von etwa 100 TBit/s«. Setze man künftig Wirbelstrahlung auf Multicore- oder multimodalen Glasfasern ein, verschiebe sich diese Grenze. Um dieses räumliche Multiplex-Verfahren anwenden zu können, seien spezielle Detektoren essentiell.