Lichtchip misst Pikosekunden-Signale

Datentransport in Glasfasern und schnelle chemische Reaktionen lassen sich mit extrem schnellen Oszilloskop besser analysieren

Ithaca (USA) - In winzigen Wellen übertragen Lichtpulse Daten durch Glasfaserkabel. Innerhalb eines winzigen Bruchteils einer Sekunde schwingen diese Wellen auf und ab. Für die meisten Messgeräte, so genannte Oszilloskope, geht dies viel zu schnell, Strukturen unterhalb von 30 Pikosekunden können sie nicht mehr auflösen. Mit einem Lichtchip konnten amerikanische Physiker diese Grenze nun überwinden. In der Zeitschrift "Nature" präsentieren sie den ersten Prototyp eines mit photonischen Methoden arbeitenden Oszilloskops. Es erreicht eine Zeitauflösung, die um das Hundertfache besser ist als bei rein elektronischen Messgeräten.

"Es wird immer wichtiger, Technologien zu entwickeln, mit denen sich optische Wellenformen mit Subpikosekunden-Auflösung einfach messen lassen", berichtet das Team um Alexander L. Gaeta von der Cornell University in Ithaca. Dieses Ziel erreichten die Physiker mit ihrem Messaufbau, dessen Herz aus einem winzigen Wellenleiter aus Siliziumnitrid oder Siliziumoxidnitrid besteht. In diesen Lichtchip gelangt über eine Glasfaser der rasante Signalpuls. Um seine Struktur und die exakte Wellenform zu bestimmen, trifft er mit einem zweiten Laserpuls zusammen. Dabei werden Energien zwischen den beiden Lichtblitzen ausgetauscht und es entsteht ein Analyse-Puls, aus dem alle Daten über die Struktur des ursprünglichen Signalpulses ausgelesen werden können.

Der zeitliche Verlauf des Signalpulses wird dabei auf verschiedene Wellenlängen des Analysepuls übertragen. Analysiert mit einem Spektrometer konnten Gaeta auf die Wellenform des ursprünglichen Signalpulses mit einer zeitlichen Auflösung von bis zu 220 Femtosekunden zurückschließen. Das ist etwa hundertmal genauer als mit handelsüblichen Oszilloskopen. In weiteren Versuchen wollen die Physiker nun alle optischen Komponenten auf einen einzigen Chip integrieren. Damit könnten dann extrem schnelle und handliche Oszilloskope für die Analyse einzelner Pulse in der Kommunikationstechnik entwickelt werden. Durch die bessere Kontrolle der Lichtpulse locken schnellere Datenraten in dem bereits vorhandenen Netz aus Glasfaserkabeln.