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Ein Transistor für Lichtsignale

Laserstrahl mit Silberpartikeln verstärkt / Optische Schaltkreise

Von Rainer Scharf

In der Telekommunikation fallen zuweilen riesige Datenmengen an. Die Daten werden mit Lichtpulsen durch Glasfasern übertragen und mit elektrischen Schaltkreisen verarbeitet. Die dabei notwendige Umwandlung von optischen in elektrische Signale und umgekehrt ist kompliziert und zeitaufwendig. Deshalb sucht man in vielen Forschungslabors nach Wegen, optische Signale direkt zu verarbeiten. Diesem Ziel sind nun Forscher um Junji Tominaga vom Nationalen Institut für industrielle Forschung und Technik in Tsukuba/Japan einen großen Schritt näher gekommen.

Die Wissenschaftler haben einen optischen Transistor entwickelt, mit dem man Lichtsignale steuern und verstärken kann. Als Ausgangsmaterial verwendeten sie eine herkömmliche beschreibbare Compact-Disc (CD), die sie mit einer dünnen Schicht aus Silberoxyd überzogen. In der CD hatten die Forscher zuvor eine bestimmte Signalfolge abgespeichert. Dadurch waren in regelmäßigen Abständen zahlreiche winzige Kerben entstanden ("Applied Physics Letters", Bd. 78, S. 2417). Für ihre Versuche richteten die Wissenschaftler gleichzeitig einen roten und einen blauen Laserstrahl auf die Metalloberfläche der CD. Beide beleuchteten dieselbe Stelle. Dabei löste das rote Laserlicht eine Reihe von Vorgängen aus, die den blauen Strahl steuerten und dessen Intensität verstärkten.

Zunächst regte der rote Lichtstrahl die Elektronen in der Metallschicht zu Schwingungen an. Diese Plasmonen traten vor allem an den Kerben auf. Sie dienten gewissermaßen als Energiereservoir und sollten letztlich die Lichtverstärkung ermöglichen. Normalerweise kann die in den Plasmonen gespeicherte Energie nicht direkt in Licht umgewandelt werden. Dieses Hindernis läßt sich mit Hilfe von Silberpartikeln umgehen.

Die Metallpartikeln wurden ebenfalls vom roten Laserstrahl erzeugt, als dieser auf die Silberoxydschicht traf und dabei die chemische Bindung zwischen Silber und Sauerstoff aufbrach. Je nach Strahlintensität entstanden verschieden große Cluster aus Silberatomen auf der Metallschicht. Jene, die direkt über den schwingenden Elektronen "saßen", konnten die Energie der Plasmonen anzapfen und in Strahlung verwandeln. Diesen Effekt nutzten die Forscher zur Verstärkung des eingestrahlten blauen Lichts des zweiten Lasers. Die Lichtverstärkung war desto größer, je ausgedehnter die strahlenden Silbercluster waren. Auf diese Weise konnten die Wissenschaftler das blaue Laserlicht sechzigfach verstärken.

Der optische Transistor der japanischen Forscher ist das bislang einfachste "photonische" Bauelement. Mit ihm lassen sich komplizierte Schaltungen herstellen - ganz ähnlich wie man mit herkömmlichen Transistoren komplexe elektrische Schaltkreise baut. In weiterführenden Experimenten wollen die Wissenschaftler um Tominaga solche photonischen Schaltkreise entwickeln. Diese werden die herkömmlichen elektronischen Schaltungen zwar nicht ersetzen, aber sie könnten vielleicht schon bald in einigen Anwendungen, wie der optischen Verarbeitung von Informationen, konkurrenzfähig sein. 

Frankfurter Allgemeine Zeitung, 09.05.2001, Nr. 107 / Seite N1

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