Lichtstrahlen in Glasfaserkabeln gezielt zu bremsen, ist ein heißes Thema in der Physik. Bei der optischen Datenübertragung von morgen könnte gebremstes Licht nämlich eine Schlüsselrolle spielen. Ähnlich wie rote Ampeln an einer Straßenkreuzung den Verkehr regeln, müssen auch die Lichtpulse in Glasfasernetzen synchronisiert werden. Bislang allerdings ist das sehr umständlich. Um optische Informationspakete eine Weile aufzuhalten, werden sie zunächst in leicht manipulierbare Spannungspulse umgewandelt. Anschließend durchlaufen sie eine elektrische Warteschleife und werden dann wieder in optische Signale konvertiert, die mit Lichtgeschwindigkeit auf die nächste Etappe gehen. Alles in allem eine zeitraubende Umwandlung, die man sich gerne sparen würde, erklärt Professor David Gauthier von der Duke University in Durham, North Carolina:
"Es gibt derzeit ein großes Interesse an Technologien, die diese Konvertierung der Lichtsignale überflüssig machen könnten. Wenn es gelänge, rein optische Warteschleifen zu bauen, ließe sich der Datentransfer in Hochgeschwindigkeitsnetzen beschleunigen. Aber noch fehlt es an guten Speichern für optische Datenpulse."
Technologien, um Lichtpulse kurzzeitig zu speichern, gibt es zwar schon. Doch die benötigen tiefgekühlte Gaswolken oder kostspielige Spezialkristalle und lassen sich deshalb kaum in die heutigen Glasfasernetze integrieren. Die Lichtbremse, die David Gauthier und Kollegen heute im Fachmagazin Science vorstellen, wirkt dagegen erstaunlich simpel. Die Forscher haben optische Signale erstmals in einem handelsüblichen Lichtleiter festgesetzt.
"Die Glasfaser, die wir verwenden, ist so dick wie ein Haar und nur einige Meter lang. Im Prinzip könnten wir sie aufrollen und die ganze Anordnung in einen Briefumschlag stecken."
Um die in einem Laserstrahl enthaltene optische Information darin zu speichern, schicken die Forscher diesem Signalstrahl vom anderen Ende der Glasfaser einen zweiten Laserpuls entgegen. An der Stelle, wo sich die beiden Strahlen treffen und überlagern, entsteht eine Schallwelle, die die Atome des Lichtleiters zittern lässt.
"Die Glasfaser wird in eine sehr schnelle Schwingung versetzt. Sie vibriert mit einer Frequenz von rund zehn Gigahertz. Das liegt viele Größenordnungen über dem, was wir hören können."
Die Schallwelle in der Glasfaser ist eine Art akustisches Abbild des optischen Eingangssignals. Weil sie nach Abschalten der Laserstrahlen noch ein paar milliardstel Sekunden nachklingt, speichert sie die im Signalstrahl enthaltene Information kurzzeitig. Um sie wieder auszulesen, schickt David Gauthier einen weiteren Laserpuls in die Faser, den so genannten Lesepuls. Wenn der auf die Schallwelle trifft, überträgt die ihre Information wieder auf den Lichtpuls. Das Resultat ist eine Kopie des Eingangssignals, die zeitverzögert den Ausgang der Glasfaser erreicht. Eine optische Warteschleife also, die gespeicherte Information auf Knopfdruck in Form eines Lichtpulses freisetzt – und zwar genau in jenem Frequenzbereich, der kompatibel mit den gängigen Telekommunikationswellenlängen ist. Mit zwöf Nanosekunden ist die maximale Speicherdauer der akustischen Lichtfalle allerdings noch ziemlich gering. Und auch das Auslesen laufe noch zu selten fehlerfrei, räumt David Gauthier ein.
"Unser Ziel ist es jetzt, andere Materialien für die Lichtleiter zu finden, in denen wir denselben Effekt mit weniger Aufwand erzielen können. Momentan brauchen wir noch ziemlich kräftige Laserpulse für das Speichern und Auslesen der optischen Information. Das limitiert mögliche praktische Anwendungen. Aber wenn es uns in anderen Materialien gelingt, die Information mit schwächeren Laserpulsen noch länger zu speichern, dann wäre der Weg frei für den breiten Einsatz in der Netzwerktechnologie."
"Es gibt derzeit ein großes Interesse an Technologien, die diese Konvertierung der Lichtsignale überflüssig machen könnten. Wenn es gelänge, rein optische Warteschleifen zu bauen, ließe sich der Datentransfer in Hochgeschwindigkeitsnetzen beschleunigen. Aber noch fehlt es an guten Speichern für optische Datenpulse."
Technologien, um Lichtpulse kurzzeitig zu speichern, gibt es zwar schon. Doch die benötigen tiefgekühlte Gaswolken oder kostspielige Spezialkristalle und lassen sich deshalb kaum in die heutigen Glasfasernetze integrieren. Die Lichtbremse, die David Gauthier und Kollegen heute im Fachmagazin Science vorstellen, wirkt dagegen erstaunlich simpel. Die Forscher haben optische Signale erstmals in einem handelsüblichen Lichtleiter festgesetzt.
"Die Glasfaser, die wir verwenden, ist so dick wie ein Haar und nur einige Meter lang. Im Prinzip könnten wir sie aufrollen und die ganze Anordnung in einen Briefumschlag stecken."
Um die in einem Laserstrahl enthaltene optische Information darin zu speichern, schicken die Forscher diesem Signalstrahl vom anderen Ende der Glasfaser einen zweiten Laserpuls entgegen. An der Stelle, wo sich die beiden Strahlen treffen und überlagern, entsteht eine Schallwelle, die die Atome des Lichtleiters zittern lässt.
"Die Glasfaser wird in eine sehr schnelle Schwingung versetzt. Sie vibriert mit einer Frequenz von rund zehn Gigahertz. Das liegt viele Größenordnungen über dem, was wir hören können."
Die Schallwelle in der Glasfaser ist eine Art akustisches Abbild des optischen Eingangssignals. Weil sie nach Abschalten der Laserstrahlen noch ein paar milliardstel Sekunden nachklingt, speichert sie die im Signalstrahl enthaltene Information kurzzeitig. Um sie wieder auszulesen, schickt David Gauthier einen weiteren Laserpuls in die Faser, den so genannten Lesepuls. Wenn der auf die Schallwelle trifft, überträgt die ihre Information wieder auf den Lichtpuls. Das Resultat ist eine Kopie des Eingangssignals, die zeitverzögert den Ausgang der Glasfaser erreicht. Eine optische Warteschleife also, die gespeicherte Information auf Knopfdruck in Form eines Lichtpulses freisetzt – und zwar genau in jenem Frequenzbereich, der kompatibel mit den gängigen Telekommunikationswellenlängen ist. Mit zwöf Nanosekunden ist die maximale Speicherdauer der akustischen Lichtfalle allerdings noch ziemlich gering. Und auch das Auslesen laufe noch zu selten fehlerfrei, räumt David Gauthier ein.
"Unser Ziel ist es jetzt, andere Materialien für die Lichtleiter zu finden, in denen wir denselben Effekt mit weniger Aufwand erzielen können. Momentan brauchen wir noch ziemlich kräftige Laserpulse für das Speichern und Auslesen der optischen Information. Das limitiert mögliche praktische Anwendungen. Aber wenn es uns in anderen Materialien gelingt, die Information mit schwächeren Laserpulsen noch länger zu speichern, dann wäre der Weg frei für den breiten Einsatz in der Netzwerktechnologie."