Licht in optischen Schaltkreisen Optisches Chaos zur Informationsübertragung

Physiker der Universität Magdeburg haben gemeinsam mit internationalen Kollegen erstmals eine Methode entwickelt, bei der Licht mit unterschiedlichen Frequenzen im gleichen optischen Schaltkreis verwendet werden kann. Damit löst sich für die Wissenschaft ein seit langem bestehender Knoten.

Optische Schaltkreise, in denen Licht statt Elektronen zur Datenübertragung verwendet wird, könnten künftig die Kommunikation und die Datenverarbeitung revolutionieren. »Aber die Kontrolle von Licht stellt eine große Herausforderung dar«, so Prof. Jan Wiersig von der Universität Magdeburg.

Licht hat in den verschiedenen Bestandteilen des Schaltkreises unterschiedliche Geschwindigkeiten. Ein Problem, das seit zwanzig Jahren für Kopfzerbrechen sorgt. Denn nur wenn die Lichtfrequenz im Wellenleiter, dem optischen Pendant zur ­Leiterplatine, und im Lichtspeicher, ­einem ringförmigen Mikroresonator, übereinstimmt, kommt es zu einem Übertritt und damit zu einer möglichen Datenverarbeitung.

Große Wirkung

Wissenschaftler der Universität Magdeburg um Prof. Jan Wiersig haben zusammen mit den Gruppen von Prof. Yun-Feng Xiao (Peking University, China), Prof. Marko Loncar (Harvard University, USA) und Prof. Lan Yang (Washington University, USA) nun ein Verfahren entwickelt, das die Übergabe von Lichtpaketen ermöglicht.

Um die Geschwindigkeit zwischen Wellenleiter und Lichtspeicher anzugleichen, verformten sie die ringförmige Struktur des Mikroresonators leicht. Was nach einer minimalen Änderung klingt, hat enorme Auswirkungen.

Kontrolle durch Chaos

Durch die neue Struktur entsteht im Resonator ein optisches Chaos. Das äußert sich darin, dass es zu ständigen Änderungen der Geschwindigkeit des Lichts im Lichtspeicher kommt. Diese Schwankungen haben zur Folge, dass die unterschiedlichen Frequenzen im Wellenleiter für einen sehr kurzen Moment mit den Frequenzen im Mikroresonator übereinstimmen.

Diese extrem kurze Zeitspanne reicht aus, um Licht aus dem Wellenleiter in den Lichtspeicher einzuspeisen oder auch wieder zu entnehmen. Das funktioniert nicht nur mit verschiedenen Frequenzen, auch breitbandige Lichtimpulse können damit ein- und ausgekoppelt werden.

Mit dem neuen Verfahren ist ein wichtiger Schritt in Richtung optischer Schaltkreise getan und »es ist das erste Mal, dass es das optische Chaos in eine kommerzielle Anwendung geschafft hat.«, erklärt Prof. Wirsig. Bis jetzt sind chaotische Strukturen nur theoretisch bedacht worden, nun gibt es auch ein Beispiel für deren praktische und gezielte Umsetzung.

Die Wissenschaftler haben ihre Forschungsergebnisse in dem internationalen Fachjournal Science veröffentlicht.