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Eine schnelle Weiche für Laserlicht

In Halbleiterchips können die Strahlen jetzt gemischt und gesteuert werden

Von Rainer Scharf
 
Informationen tauscht man heutzutage am schnellsten mit Licht aus, das durch Glasfasern geführt wird. Um die optischen Signale sortieren und verarbeiten zu können, muß man sie jedoch in elektrische Signale umwandeln. Optische Schalter, Weichen und photonische Chips, die mit Licht statt mit Elektrizität arbeiten, sollen diese Umwandlung überflüssig machen. Jetzt hat eine internationale Forschergruppe eine Weiche für Licht entwickelt, die in Halbleiterchips integriert werden kann.

Wie Baojun Li von der Sun Yat Sen-Universität in Guangzhou und seine Kollegen berichten, besteht ihre Lichtweiche aus einem drei Millimeter langen Siliziumblock, auf dessen Oberseite fünf feine Grate und einige Elektroden angebracht sind ("Applied Physics Letters", Bd. 84, S. 2241). Die Breite der Grate beträgt gerade mal ein Zehntel des Durchmessers eines menschlichen Haares. Unter jedem von ihnen verbirgt sich eine lichtdurchlässige Faser aus einer halbleitenden Silizium-Germanium-Mischung. Drei der Fasern laufen in spitzem Winkel in einem Punkt zusammen, von dem dann die beiden anderen Fasern ausgehen. Die Weiche kann das durch die drei Fasern hereinkommende Licht auf die beiden anderen Fasern lenken.

Die Fasern sind so angeordnet, daß das Licht aus der mittleren Eingangsfaser gleichmäßig auf die beiden Ausgangsfasern verteilt wird, während das Licht aus der rechten beziehungsweise linken Eingangsfaser in die linke beziehungsweise rechte Ausgangsfaser geleitet wird. Die Zugänge zu den beiden Ausgangsfasern können durch zwei unabhängig voneinander schaltbare "Spiegel" verschlossen werden, die das Licht dann in die jeweils andere Ausgangsfaser umlenken. Sind beide Spiegel angeschaltet, kommt überhaupt kein Licht mehr durch die Weiche hindurch.

Jeder der beiden Spiegel wird mit Hilfe von zwei Elektroden geschaltet, die am Beginn der entsprechenden Ausgangsfasern einander gegenüberliegend angebracht sind. Legt man eine elektrische Spannung mit der richtigen Polarität an die Elektroden, dann drücken diese negative geladene Elektronen und positiv geladene Löcher in das dazwischenliegende Halbleitermaterial der Faser. Dadurch erhöht sich die Zahl der Ladungsträger in dem Abschnitt der Faser, und dessen optischer Brechungsindex nimmt daraufhin ab. Die Faser wird gewissermaßen von einem Pfropfen mit verringertem Brechungsindex verschlossen, der das Licht nicht mehr durchläßt, sondern vollständig reflektiert.

Da die elektronischen Spiegel keine beweglichen Teile enthalten, lassen sie sich außerordentlich schnell an- und abschalten. Wie die Messungen ergaben, dauert ein Schaltvorgang nur 200 Nanosekunden. Mit der neuen Lichtweiche kann man Licht nicht nur auf einen gewünschten Ausgang lenken oder blockieren. Man kann auch verschiedenfarbiges Licht gezielt mischen, indem man zum Beispiel drei Laserstrahlen mit unterschiedlicher Frequenz in die Eingangsfasern einspeist. Da sich die Lichtweiche mit herkömmlichen Verfahren der Halbleitertechnik herstellen läßt, ist sie preiswert in elektronische Halbleiterchips zu integrieren. 

Text: Frankfurter Allgemeine Zeitung, 14.04.2004, Nr. 87 / Seite N1

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