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Optoelektronik: Lichtspiele

Solange die elektronischen Schaltungen von Computern Lichtimpulse noch nicht direkt verarbeiten können, nützt die schnellste Datenübertragung über Glasfaserkabel oft wenig. Wenn die Elektronik nicht schneller wird, dann muss das Licht eben etwas langsamer tun.
Luc Thévenaz von der Ecole Polytechnique Fédérale in Lausanne (EPFL) kann schon verblüffen. Und das nicht, weil er fortwährend an seiner Optik arbeitet, sondern mehr mit Worten: Er behauptet, dass er Licht langsamer oder schneller machen kann – ganz wie es ihm beliebt. Aber haben wir nicht alle gelernt, nichts sei schneller als Licht? Sicher, werden nun einige sagen – im Vakuum. Aber in Materie sieht das schon ganz anders aus. Denn hier entscheidet deren optische Dichte, wie schnell sich dort Licht ausbreitet: In einer erdnahen Luftschicht ist die Lichtgeschwindigkeit beispielsweise schon um etwa drei Tausendstel langsamer als im Vakuum, in Wasser oder Glas gar um bis zu dreißig Prozent.

Aber trotzdem ist es auch dann noch so rasend schnell, dass viele von Licht als dem Informationsübermittler der Zukunft träumen. Und deshalb arbeiten Thévenaz und seine Kollegen Miguel González-Herráez sowie Kwang-Yong Song daran, das Licht beherrschbar machen, um damit neue, optoelektronische Schaltkreise zu ermöglichen. Schließlich läuft bereits heute ein Gutteil der weltweiten Telefongespräche und Datenverbindungen über Glasfaserkabel. Um die darin weitergeleiteten Informationen verarbeiten zu können, müssen die Lichtimpulse derzeit aber noch in elektrische Signale umgewandelt werden. Und das bremst.

Denn schon allein, weil sich Licht nicht auf Arbeitsspeicher zwischenlagern – und sich infolgedessen auch nicht sukzessive in Prozessoren verarbeiten – lässt, nützt der schnelle Datentransport oft herzlich wenig, wenn die Bits und Bytes doch nur langsam von der nachgeschalteten Elektronik "verdaut" werden können. Mit der gezielten Anpassung der Geschwindigkeit des Lichts an die jeweilige Elektronik, wollen die Techniker der Ecole Polytechnique Fédérale in Lausanne nun den Datenfluss an die Geschwindigkeit der elektronischen Verarbeitung anpassen.

Schon vor diesem Trio gelang es Experimentatoren, die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht systematisch zu beeinflussen. Einige schafften es bereits, Licht nicht schneller fliegen zu lassen, als ein Zug oder ein Fahrrad fährt. Andere stoppten es ganz. Doch arbeiteten alle diese Gruppen mit sehr speziellen Trägermedien, oder ihre Versuche funktionierten ausschließlich mit ganz bestimmten Wellenlängen. Thévenaz und seine Kollegen schafften das Kunststück nun jedoch mit beliebigem Licht, das sie in handelsüblichen Glasfaserkabeln führten. Dazu regten sie die Atome im Glasfaser gezielt zu Schwingungen an. Dabei entstehen so genannte Phononen oder auch Gitterschwingungen, an denen die Lichtteilchen unterschiedlich stark streuen, je nach Heftigkeit der Schwingung. Experten nennen das Brillouin-Streuung.

Den Schweizer Wissenschaftler gelang es damit aber nicht nur, den Photonenfluss um einen Faktor von etwa vier zu verlangsamen. Ihnen glückte es darüber hinaus, Teile eines Impulses über die Geschwindigkeit von Licht im Vakuum zu beschleunigen. Doch ist auch hier keine Zauberei im Spiel – schließlich war auch das anderen Forscher, allerdings wieder unter sehr speziellen Bedingungen, bereits gelungen. Und es widerspricht auch nicht den Gesetzen der Relativitätstheorie. Denn nach physikalischer Vorstellung ist ein Lichtimpuls eine Überlagerung von zig harmonischen Wellen zu einem so genannten Wellenpaket. Auch wenn sich der Schwerpunkt dieses Gemenges – wie von Einstein postuliert – niemals schneller bewegen kann als mit der Vakuumlichtgeschwindigkeit, die einzelnen Teilwellen, aus denen es zusammengesetzt ist, können es, insbesondere wenn das Wellenpaket mit der Zeit auseinanderdriftet. Wissenschaftler sagen dazu Dispersion. Physikalisch relevant ist aber immer nur die so genannte Gruppengeschwindigkeit, mit der sich der Schwerpunkt des Wellenpaketes fortbewegt. Mit ihr bewegen sich die Information und die Energie fort. Daher denken die Physiker von der Ecole Polytechnique Fédérale vornehmlich daran, die Geschwindigkeit der Strahlung zu drosseln, um so im wahrsten Sinne des Wortes Licht in die Mikroelektronik bringen.

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