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Resonator-Solitonen als Informationsträger

Optische Kommunikationssysteme sind auf dem Vormarsch. Dafür wird es angestrebt, binäre Informationen rein optisch und auch parallel zu verarbeiten. Ansätze hierzu mittels nichtlinearer Halbleiteroptik scheiterten bisher am Problem der Ladungsträgerdiffusion. Diese stellt aber kein Problem dar, wenn man als Informationsträger „räumliche Solitonen“ verwenden kann.

Vier Solitonen driften in einem durch Licht definierten „Kanal“. Die Solitonen haben einen Durchmesser von ca. 5 µm.

In der Optik sind Solitonen vor allem als Pulse auf Glasfasern bekannt, die bei der Ausbreitung nicht auseinanderlaufen, weil nichtlineare optische Eigenschaften des Materials die Dispersion kompensieren. Es gibt ein räumliches Analogon dazu, bei dem die Beugung durch Nichtlinearitäten balanciert wird. Diese räumlichen Solitonen haben in einem Resonator die Eigenschaft der Bistabilität und der transversalen Beweglichkeit, was sie als optische Informationsträger geeignet macht, aber beispielsweise auch als trägheitslose Abtastsonden in der Mikroskopie. Während solche Solitonen zunächst nur in langsamen nichtlinear-optischen Materialien nachgewiesen werden konnten, gelang es in der PTB, räumliche Solitonen in Halbleiter-Mikroresonatoren zu erzeugen. Damit sind schnelle Schaltgeschwindigkeiten und die vorteilhafte Integration mit anderen Halbleiterbauelementen möglich. Eine Anwendung, welche speziell die Beweglichkeit der Solitonen nutzt, ist ein „Photonen-Puffer“. Er wird allgemein bei solchen Problemen gebraucht, die eine Zwischenspeicherung optischer Informationen erfordern, speziell aber bei der Synchronisierung optischer Kommunikationsnetze und im optischen „Paket“-Verkehr.

Die Abbildung zeigt den ersten Schritt zur Realisierung eines solchen „Photonen-Puffers“. Ein quasi eindimensionaler Bereich eines Halbleiterresonators ist beleuchtet. Am linken Ende werden nacheinander Solitonen „geschrieben“, die mit einstellbarer Geschwindigkeit nach rechts driften. Am rechten Ende werden sie ausgelesen. Die Driftzeit der Solitonen bestimmt die Zeit der Zwischenspeicherung der optischen Information. Sie kann durch Parameter des Lichtfeldes oder auch durch ein elektrisches Feld kontinuierlich variiert werden.

In passiven Resonatoren ist die zur Aufrechterhaltung eines Solitons benötigte Leistung mit ca. 1 mW noch recht hoch. Durch Nutzung eines aktiven Resonators (VCSEL Laser-Struktur) konnte die Leistung aber bereits auf 80 µW verringert werden und 10 µW erscheinen als realisierbar. Damit können auch zweidimensionale Anwendungen wie beispielsweise Schaltmatrizen ins Auge gefasst werden. Die gemeinsam mit weiteren Forschungsgruppen aus Deutschland, Frankreich und Grossbritannien durchgeführten Arbeiten wurden im ESPRIT-Programm der Europäischen Union gefördert.