Illustration des rosa dargestellten Lichtwirbels über einer Ringstruktur.

Lichtwirbel sollen mehr Daten übertragen

Um möglichst viele Daten durch Glasfaserkabel zu schicken, werden Länge und Polarisation von Lichtwellen kontrolliert verändert. Mit rotierenden Lichtwirbeln ließen sich die Datenraten in jeder Glasfaser auf mehr als 2000 Gigabit pro Sekunde sogar noch vervielfachen. Doch die dazu nötigen Lichtquellen waren bisher zu groß und komplex. Dieses Problem löste nun eine Forschergruppe mit einem Mikrolaser, der zuverlässig verwirbelte Lichtwellen aussenden konnte. Dieser Ansatz, den die Wissenschaftler in der aktuellen Ausgabe der Zeitschrift „Science“ vorstellen, könnte in Zukunft zu einer drastischen Erhöhung der Datenraten im globalen Glasfasernetz führen.

„Unser Mikrolaser ist die erste Lichtquelle für komplexe Lichtwirbel, die sich in miniaturisierte optische Kommunikationsmodule integrieren ließe“, sagt Liang Feng von der State University of New York in Buffalo, USA. Den Bauplan des Mikrolasers entwickelte Fengs Arbeitsgruppe gemeinsam mit Stefano Longhi vom Politecnico di Milano in Italien. Für einen nur neun millionstel Meter kleinen Resonator – dem Herzstück des Lasers – deponierten sie die Halbleiterverbindung Indiumgalliumarsenidphosphid und Schichten aus Chrom und Germanium auf einem Träger aus Indiumphosphid. Mit eng fokussierten Elektronenstrahlen strukturierten sie diese Halbleiterschichten, um damit die Ausbreitung eingestrahlter Lichtwellen zu beeinflussen.

Trafen nun infrarote Laserpulse mit einer Wellenlänge von 1472 Nanometer auf die Ringstruktur, wurden die Halbleiterschichten optisch angeregt. Dabei veränderte sich die zuvor lineare Ausbreitung der Lichtwellen und ein Lichtwirbel vergleichbar mit einer Helix-Wendel entstand. Da die Halbleiterschichten einfallende Lichtwellen unterschiedlich stark brechen konnten, ließen sich kontrolliert Lichtwirbel erzeugen, die eine Rotation entweder mit oder gegen den Uhrzeigersinn zeigten. Verantwortlich dafür war der Einfluss der ringförmigen Halbleiterstruktur auf den Bahndrehimpuls der Lichtteilchen.

Abhängig von der Struktur des Mikrolasers könnte nun der Bahndrehimpuls der Lichtteilchen verschiedene Werte annehmen und zu unterschiedlichen Lichtwirbeln führen. Diese Vielfalt wäre die Grundlage für mehrere datentragende Lichtwellen, die – ohne sich gegenseitig zu stören – gleichzeitig durch eine Glasfaser geschickt werden könnten. Doch bevor diese neuartige, sogenannte Multiplexing-Methode die Datenrate in Glasfasernetzen vervielfachen könnte, müssten die exakten optischen Eigenschaften der neuen, ringförmigen Mikrolaser und die Qualität der Lichtwirbel noch genauer überprüft werden. Danach wäre eine möglichst günstige Serienfertigung mit ausgereiften lithografischen Verfahren vorstellbar.