Volloptikschalter für Glasfaserkommunikation

Forscher unter der Leitung der University of Michigan (U-M) haben einen ultraschnellen, rein optischen Schalter präsentiert, indem das Team zirkular polarisiertes Licht, das sich wie eine Helix dreht, durch einen mit einem ultradünnen Halbleiter ausgekleideten optischen Hohlraum pulsieren ließ. Das Gerät ebnet den Weg in eine schnellere Glasfaserkommunikation.

Das Gadget könnte als optischer Schalter funktionieren, bei dem das Ein- oder Ausschalten eines Steuerlasers den Signalstrahl derselben Polarisation umschaltet. Einsetzen ließe es sich auch als logisches Gatter, also ein Exklusiv-ODER-Schalter, der ein Ausgangssignal erzeugt, wenn ein Lichteingang im Uhrzeigersinn und der andere gegen den Uhrzeigersinn gedreht wird - allerdings nicht, wenn beide Eingänge gleich sind. Die Studie dazu wurde kürzlich in "Nature Communications" veröffentlicht.

Schritt zum optischen Computer

Modernes Hochgeschwindigkeitsinternet nutzt Licht, um große Datenmengen schnell und zuverlässig über Glasfaserkabel zu übertragen. Allerdings stoßen Lichtsignale bislang auf einen Engpass, wenn eine Datenverarbeitung erforderlich ist. Dazu müssen sie vor der weiteren Übertragung in elektrische Signale umgewandelt und verarbeitet werden. Ein rein optischer Schalter könnte stattdessen Licht verwenden, um andere Lichtsignale zu steuern. Das ginge ohne elektrische Umwandlung, was Zeit und Energie bei der Glasfaserkommunikation sparen würde.

"Da ein Schalter der elementarste Baustein jeder informationsverarbeitenden Einheit ist, ist ein rein optischer Schalter der erste Schritt in Richtung optischer Computer oder optischer neuronaler Netze", so Hauptautor Lingxiao Zhou. Der geringe Verlust des optischen Rechnens mache es besser als elektronisches Rechnen. "Ein extrem niedriger Stromverbrauch ist der Schlüssel zum Erfolg des optischen Rechnens. Die Arbeit unseres Teams befasst sich genau mit diesem Problem, indem ungewöhnliche zweidimensionale Materialien verwendet werden, um Daten mit sehr geringer Energie pro Bit zu schalten", ergänzt Mitautor Stephen Forrest.

Um dies zu erreichen, haben die Forscher einen spiralförmigen Laser in regelmäßigen Abständen durch einen optischen Hohlraum gepulst - eine Reihe von Spiegeln, die Licht einfangen und mehrfach hin- und herwerfen - und somit die Stärke des Lasers um zwei Größenordnungen erhöht. Wird eine ein Molekül dicke Schicht des Halbleiters Wolframdiselenid in den optischen Hohlraum eingebettet, vergrößert das starke, oszillierende Licht die elektronischen Bänder der verfügbaren Elektronen im Halbleiter - ein nichtlinearer optischer Effekt, der als optischer Stark-Effekt bekannt ist.