Ultraschneller Lichtschalter:
Licht umlenken in 74 Billiardstel Sekunden

Ein Forschungsteam des California Institute of Technology (Caltech) hat einen neuartigen optischen Schalter entwickelt, der einen Lichtstrahl innerhalb von nur 74 Femtosekunden umlenken kann. Dies verspricht Durchbrüche in der optischen Datenverarbeitung.

Laser als Schaltelement

Der genannte Zeitraum für die Schaltung entspricht 74 Billiardstel Sekunden, also ungefähr der Zeit, die Licht benötigt, um die Breite eines menschlichen Haares zu überbrücken. Die Technologie könnte langfristig schnellere Datenübertragungen, leistungsfähigere Computer und empfindlichere Sensorsysteme ermöglichen.

Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Nanotechnology veröffentlicht. Hauptautor der Studie ist Claudio Hail, der die Arbeiten während seiner Zeit als Postdoktorand am Caltech durchführte und inzwischen als Professor an der University of California in Berkeley tätig ist.


Bislang basieren viele Verfahren zur Steuerung von Licht auf elektronischen Prozessen. Dazu zählen etwa Flüssigkristallanzeigen oder optische Bauelemente in der Telekommunikation. Dabei werden Elektronen in einem Material angeregt und kehren anschließend in ihren Ausgangszustand zurück. Dieser Vorgang begrenzt die Geschwindigkeit, mit der Licht beeinflusst werden kann, meist auf Nano- oder Pikosekunden.

Das Caltech-Team verfolgt einen anderen Ansatz. Statt elektrische Signale einzusetzen, verwenden die Wissenschaftler einen stärkeren Laserstrahl, der die optischen Eigenschaften eines Materials kurzfristig verändert. Ein zweiter, deutlich schwächerer Lichtstrahl wird dadurch gezielt in eine andere Richtung gelenkt. Die eigentliche Steuerung erfolgt somit vollständig durch Licht.

Mehr Leistung für die Photonik

Möglich wird dies durch den sogenannten optischen Kerr-Effekt. Dabei verändert ein intensiver Lichtimpuls den Brechungsindex eines Materials für einen extrem kurzen Zeitraum. Allerdings ist dieser Effekt normalerweise zu schwach, um einen Lichtstrahl ausreichend stark abzulenken.

Um die Wirkung zu verstärken, fertigten die Forscher eine spezielle Metafläche aus amorphem Silizium. Diese ultradünne Struktur besteht aus winzigen Säulen im Nanometermaßstab, die das Licht kurzzeitig innerhalb der Oberfläche festhalten. Dadurch wird die Veränderung des Brechungsindex' deutlich verstärkt, sodass der Lichtstrahl um bis zu 13 Grad umgelenkt werden kann.

Die erreichte Schaltgeschwindigkeit wird derzeit noch durch die Dauer der verwendeten Laserpulse begrenzt, die ebenfalls 74 Femtosekunden beträgt. Nach Einschätzung der Wissenschaftler könnte sich die Technik mit weiteren Verbesserungen noch erheblich beschleunigen. Damit würde sie zu den vielversprechenden Konzepten der modernen Photonik gehören, die zukünftig eine ultraschnelle optische Informationsverarbeitung ohne die bisherigen elektronischen Geschwindigkeitsgrenzen ermöglichen könnten.


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