Ein Lichtverst?rker für effiziente Glasfasernetzwerke
Künstlerische Darstellung des Nano-Repeaters. Licht durchl?uft
eine ultradünne Glasfaser und ragt ein Stück weit über deren
Oberfl?che hinaus. Atome in der N?he der Faser werden optisch
angeregt und im Uhrzeigersinn in Rotation versetzt. Dank der
speziellen Eigenschaften des Lichtfelds um die ultradünne
Glasfaser verst?rken die Atome das Licht nur, wenn es
von?links nach rechts l?uft. (Grafik: HU Berlin)
Glasfasern sind heute das Rückgrat unserer Informationsgesellschaft. Um in Glasfasernetzen Daten mittels Lichts über gro?e Strecken zu übertragen, muss das Licht jedoch in regelm??igen Abst?nden nachverst?rkt werden, um die auftretenden Verluste zu kompensieren. Hierfür kommen sogenannte Repeater zum Einsatz. Eine wichtige Repeater-Bauart beruht dabei auf der Verst?rkung von Licht mittels des Lasereffekts. Hierfür werden Atome innerhalb der Glasfaser in einen angeregten Zustand versetzt und dann von dem zu verst?rkenden Licht stimuliert, ihre gespeicherte Energie in Form von zus?tzlichen Lichtteilchen abzugeben. So kommt aus dem Laserverst?rker mehr Licht heraus als hineingeht.
Unter gew?hnlichen Umst?nden würde ein Laserverst?rker vorw?rts und rückw?rts laufendes Licht gleicherma?en verst?rken, da Atome runde Teilchen sind und daher in alle Richtungen gleicherma?en zus?tzliche Lichtteilchen abgeben würden. In Glasfasernetzwerken kann dies zum Problem werden, wenn zum Beispiel in der Rückw?rtsrichtung laufende St?rsignale verst?rkt werden.
Forscher um den Quantenphysiker Arno Rauschenbeutel an der Humboldt-Universit?t zu Berlin haben nun einen neuartigen Weg aufgezeigt, um Atome dazu zu bewegen, das Licht in einer Glasfaser nur in eine Richtung zu verst?rken. Hierfür zw?ngten sie das in der Glasfaser geführte Licht durch eine Verjüngung, in der die Glasfaser hundertmal dünner ist als ein menschliches Haar. Das Licht in solch einer ultradünnen Glasfaser ragt dann ein winziges Stück über deren Oberfl?che hinaus – man spricht hier von einem evaneszenten Lichtfeld. ?Durch die Wechselwirkung zwischen der Lichtwelle und der ultradünnen Glasfaser wird der Schwingungszustand des Lichtfelds ver?ndert. Das evaneszente Feld dreht sich dann wie der Rotor eines Helikopters", erkl?rt Arno Rauschenbeutel. Die Drehrichtung h?ngt dabei davon ab, ob das Licht in der Glasfaser vorw?rts oder rückw?rts l?uft. Einmal schwingt das Licht im Uhrzeigersinn, einmal dagegen. Ausbreitungsrichtung und Schwingungszustand des Lichts sind also fest miteinander verknüpft.
Wenn man nun Atome mit Laserlicht in Rotation versetzt und an das evaneszente Feld der ultradünnen Glasfaser koppelt, kann man erreichen, dass sie sich bezüglich der beiden Licht-Rotationsrichtungen unterschiedlich verhalten. ?Das Lichtfeld in der Vorw?rtsrichtung hat den gleichen Drehsinn wie die Atome und wird von diesen verst?rkt. Das Lichtfeld in der Rückw?rtsrichtung, das sich andersherum dreht als die Atome, wird von diesen hingegen nicht beeinflusst", sagt Philipp Schneewei?, der gemeinsam mit Arno Rauschenbeutel an den Lichtverst?rkern forscht. Diesen Effekt demonstrierten die Forscher in einem Experiment: Sie kühlten einige hundert Atome auf eine Temperatur von wenigen Millionstel Grad über dem absoluten Nullpunkt ab, sodass diese fast stillstanden und sich entlang der ultradünnen Glasfaser aufreihen lie?en. Obwohl nur etwa so viele Atome zum Einsatz kamen wie sich insgesamt in einem einzelnen Insulinmolekül befinden, verst?rkten diese das Licht in der einen Richtung um den Faktor zwei. In der Gegenrichtung ?nderte sich die St?rke des Lichts dagegen nicht.
Die Forscher sind optimistisch, dass das demonstrierte Prinzip schon bald praktische Anwendungen finden wird. Au?er in Glasfasernetzwerken k?nnte es auch in supraleitenden Quantenschaltkreisen verwendet werden, die in bestimmten Quantencomputern zum Einsatz kommen. ?Dort w?re es insbesondere von Vorteil, dass unser Ansatz im Gegensatz zu anderen ohne Magnetfelder auskommt, denn die lassen sich nicht gut mit Supraleitern kombinieren" erl?utert Arno Rauschenbeutel.
Originalpublikation
Atomic spin-controlled non-reciprocal Raman amplification of fibre-guided light
Sebastian Pucher, Christian Liedl, Shuwei Jin, Arno Rauschenbeutel, Philipp Schneeweiss
Nature Photonics (2022)
DOI: 10.1038/s41566-022-00987-z
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Arno Rauschenbeutel
Institut für Physik
Humboldt-Universit?t zu Berlin
arno.rauschenbeutel@hu-berlin.de
Tel.: +49 30 2093 82152