Physik

Farbspiel Mikroresonator: Monochromatisches Licht, symbolisiert durch die grüne Linie links, wird innerhalb des Mikroresonators in einen Frequenzkamm umgewandelt, der durch das bunte Strahlenbündel rechts dargestellt wird.

Lichtlineal im Glasring

In ihrem Experiment verwendeten die Wissenschaftler einen auf einem Silizium-Chip hergestellten torusförmigen Glas-Resonator mit einem Durchmesser von nur 75 Mikrometern. Den hatten Kollegen der LMU München hergestellt: Indem sie einen Laserstrahl in einer Nano-Faser aus Glas dicht an dem Resonator vorbeiführen, koppeln sie Licht in diese monolithische Struktur ein. Diese torusförmigen optischen Resonatoren können Licht relativ lange speichern. Das kann zu extrem hohen Lichtintensitäten – sprich Photonendichten – führen. Dabei tritt der Kerr-Effekt auf, der den Frequenzkamm ermöglicht: Zwei Photonen gleicher Energie werden in zwei Photonen umgewandelt, von denen das eine Lichtquant eine höhere, das andere eine niedrigere als die ursprüngliche Energie hat. Die neu erzeugten Photonen können nun ihrerseits mit den ursprünglichen Lichtquanten interagieren und dabei wiederum neue Frequenzen erzeugen. Aus dieser Kaskade entsteht ein breites Spektrum von Frequenzen – ganz ohne die Verstärkung durch ein aktives Lasermedium, die bei der herkömmlichen Methode notwendig ist.

Dass Frequenzkämme auf diese Weise erzeugt werden können, war ein eher zufälliges Ergebnis der Forscher. In langwierigen Präzisionsmessungen konnten sie zeigen, dass der Abstand zwischen allen Frequenzen exakt gleich ist, so dass tatsächlich ein perfekter Kamm entsteht. „Wir können Abweichungen bis zum Milliardstel eines Milliardstel Bruchteils der Lichtfrequenzen ausschließen“, sagt Kippenberg und liefert damit den Beleg für die Tauglichkeit des neuen Verfahrens.

Mit dem neuartigen Frequenzkamm könnten sich künftig optische Frequenzen bestimmen und damit auch extrem genaue Uhren konstruieren lassen. Ein weiterer Einsatzbereich liegt in der optischen Telekommunikation: Während beim herkömmlichen Frequenzkamm die Linien extrem dicht liegen und recht lichtschwach sind, haben die etwa 130 Spektrallinien des monolithischen Frequenzkamms einen Abstand von ungefähr 400 Gigahertz und Leistungen in der Größenordnung von einem Milliwatt. Dies entspricht ziemlich genau den typischen Anforderungen für die Träger der Datenkanäle in der optischen Telekommunikation über Glasfasern. Bisher ist für jeden Frequenzkanal ein eigener Generator mit eigenem Laser erforderlich. Dagegen würde es ein Frequenzkamm auf einem Mikrochip ermöglichen, mit einem einzigen Bauelement eine Vielzahl von Datenkanälen zu definieren.

Bevor der Frequenzkamm jedoch in der Praxis zum Einsatz kommen kann, müssen die Wissenschaftler den Entstehungsprozess noch im Detail verstehen und an der Technik noch weiter feilen. Im Hinblick auf das hohe Potenzial für Anwendungen haben sie ihre Entdeckung dennoch bereits weltweit zum Patent angemeldet.

Max-Planck-Gesellschaft (Dezember 2007)