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Licht leiten und schalten

Von Rainer Scharf

Mit strukturierten Glasfasern lassen sich optische Informationen nicht nur übertragen, sondern auch verarbeiten. Regelmäßig angeordnete Flüssigkeitströpfchen in den Hohlräumen dieser Fasern beeinflussen dabei die Ausbreitung des Lichtes.

Die Übertragung von Informationen mit Licht durch Glasfasern hat den Datenaustausch revolutioniert und das Internet erst richtig in Fahrt gebracht. Um die im Licht enthaltenen Informationen zu verarbeiten, wandelt man die Lichtwellen in elektrische Schwingungen um. Einfacher wäre es, die optische Information direkt zu verarbeiten. Strukturierte Glasfasern mit hohlen Kanälen, die im Querschnitt als mikrometergroße Löcher erscheinen, sind dafür das geeignete Ausgangsmaterial.

In den strukturierten Glasfasern können sich verschiedene, maßgeschneiderte Lichtwellen besonders gut ausbreiten. Die unterschiedlichen Wellen beeinflussen sich dabei normalerweise nicht. Doch Charles Kerbage und Ben Eggleton von den OFS Laboratorien in Murray Hill haben in Zusammenarbeit mit Lucent Technologies einen Schalter entwickelt, mit dem sie die Lichtwellen in den Fasern gezielt von einer Schwingungsform in die andere bringen können.

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Abb. 1: Luft und Flüssigkeit wechseln sich in den Kanälen der Glasfasern ab. (Quelle: Eggleton)

Die Glasfasern enthielten sechs Kanäle, die einen Kern aus Glas umgaben. In die Kanäle brachten die Forscher winzige Flüssigkeitströpfchen aus Trifluorotoluene. In einem kurzen Abschnitt der Glasfaser ordneten sie die Tröpfchen in gleichmäßigem Abstand an, wie in einer Perlenkette (Abb. 1). Dazu tauchten sie ein Ende der Glasfaser periodisch in einen Behälter mit der Flüssigkeit, während sie am anderen Ende der Faser mit einer Pumpe die Luft aus den Kanälen zogen. Dadurch wanderten die Tröpfchen der Reihe nach in die Kanäle.

Die Perlenkette aus Flüssigkeitströpfchen wirkte auf das Licht wie ein Beugungsgitter: Lichtwellen einer bestimmten Wellenlänge wurden durch die periodisch angeordneten Tropfen gewissermaßen aus dem Gleichschritt gebracht. Die Lichtwellen, die sich zunächst ungestört im Kern der Glasfaser ausbreiteten, wurden durch die Tröpfchen gestört und drangen in den äußeren Bereich der Faser ein (Abb.2). Dort konnten sie sich dann weiter entlang der Faser ausbreiten. Auf diese Weise ließ sich das Licht im Kern der Glasfaser für eine bestimmte Wellenlänge abschwächen oder herausfiltern.

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Abb. 2: Eine Computersimulation der Lichtwellen im Faserquerschnitt bringt es an den Tag: Die Flüssigkeitströpfchen in den Kanälen stören das Licht und lassen es nach außen wandern (links). Zum Vergleich (rechts) die ungestörte Welle. (Quelle: Eggleton)

Die Wellenlänge, bei der das Licht abgeschwächt wurde, ließ sich auf einfache Weise verändern. Wurden die Enden der Glasfaser erwärmt, so dehnte sich dort die Luft in den Kanälen aus und drückte die zwischen den Flüssigkeitströpfchen eingeschlossene Luft zusammen. Dadurch verringerte sich der Abstand der Tröpfchen und es entstand ein Beugungsgitter mit kürzerer Periode. Messungen zeigten, dass die Faser bei höherer Temperatur kurzwelligeres Licht herausfilterte: Wurde die Temperatur der Faserenden um 100 Grad erhöht, so verringert sich die Wellenlänge des herausgefilterten Lichtes um etwa 10 Nanometer. Die Forscher glauben, dass sich ihr Verfahren sowohl in der optischen Datenverarbeitung als auch in der Sensorik Anwendung finden wird. 

Quelle
C. Kerbage und B. J. Eggleton, Tunable microfluidic optical fiber gratings, Applied Physics Letters 82, 1338 (2003)
http://dx.doi.org/10.1063/1.1557334

Kontakt
Charles Kerbage, E-Mail: kerbage@ofsoptics.com
Ben Eggleton, E-Mail: egg@physics.usyd.edu.au

Weitere Infos
Einführung (frei zugänglich):
B. J. Eggleton et al., Microstructured optical fiber devices, Optics Express 9, 698 (2001)
http://www.opticsexpress.org/abstract.cfm?URI=OPEX-9-13-698

pro-physik.de v. 7.3.2003

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