Nützliche Schwärze

US-Forscher haben einen Laser "mit Schluckauf" entwickelt: Mit Hilfe von Quantenpunkten erzeugt er in regelmäßigen Abständen ultrakurze Pulse von Dunkelheit, die für die optische Datenübertragung interessant sein könnten.

Vielen dürfte bei dem Stichwort „Laser“ ein kontinuierlicher, meist roter Lichtstrahl in den Sinn kommen, wie man ihn in Thrillern oder Wissenschaftssendungen sieht. Für Industrie, Forschung und Medizin sind aber gerade extrem kurze und energiereiche Laserpulse interessant. Forscher vom National Institute of Standards and Technology (NIST) in Colorado haben nun eine kurios anmutende Variante dieser Pulstechnik entwickelt: Ihr Quantenpunktlaser zeichnet sich dadurch aus, dass er ultrakurze Pulse aus Dunkelheit erzeugt.

„Man kann sich das als einen kontinuierlichen Laser vorstellen, der einen rasanten Verschlussmechanismus hat“, erläutert NIST-Forscher Richard Mirin das Prinzip. In regelmäßigen Abständen wird für 90 Picosekunden der Austritt von Laserlicht blockiert – dadurch entstehen genau definierte lichtlose Perioden. Die könnten sich nicht nur für biologische und chemische Hochgeschwindigkeitsanalysen eignen, sondern auch für die optische Datenübertragung.

Anstatt Information in Lichtpulsen zu kodieren, würden die Bits als kurze Dunkelphase dargestellt. Der Vorteil: Während die Qualität von Lichtpulsen in Glasfaserkabeln aufgrund der Streuung im Material mit zunehmender Entfernung schlechter wird, bleibt ihr Gegenteil – Lichtlosigkeit – unverändert.

Wie häufig in der Forschung wollten die NIST-Forscher eigentlich etwas anderes entwickeln. Mit Hilfe der Quantenpunkte hätten sie besonders helle Laserpulse produzieren wollen, sagt Richard Mirin. Quantenpunkte sind halbleitende Nanoteilchen, die sich wie große „künstliche Atome“ verhalten: Ihre elektronischen Energiezustände sind scharf voneinander abgegrenzt und nicht verschmiert, wie man das von einem winzigen Festkörper aus tausenden Atomen erwarten würde.

Regt man Quantenpunkte elektrisch oder optisch an, emittieren sie Photonen einer bestimmten Wellenlänge. Über den Durchmesser von Quantenpunkten lässt sich die Wellenlänge der Photonen variieren, die sie abstrahlen. „Am Ende merkten wir, dass man mit der Quantenpunkt-Anordnung etwas anderes Interessantes machen kann“, so Mirin.

Die Dunkelpulse werden mit Hilfe von Quantenpunkten aus Indium-Gallium-Arsenid erzeugt, die im Zentrum eines Lasermediums aus hauchdünnen Halbleiterschichten sitzen. Genau genommen handelt es sich bei den Dunkelpulsen um einen Abfall der Intensität des Laserlichts: in der Anordnung der NIST-Forscher beträgt er rund 70 Prozent. „Die Pulse sind also eigentlich grau und nicht tiefschwarz“, sagt Mirin.

Der Laser zündet bei einem Strompuls von 60 Milliampere und sendet dann Infrarotlicht aus. Übersteigt die Stärke dieses "Pumpstroms" 110 Milliampere, kommt es zu einer periodischen Verdunkelung. Die sei die Folge davon, dass die Anregungs- und Emissionsprozesse in den Quantenpunkten, dem Halbleitermaterial und dem Absorberspiegel am geschlossenen Ende des Lasers unterschiedlich schnell ablaufen, erläutert Mirin, erläutert Mirin. Anders gesagt: Die Laserleistung bricht in regelmäßigen Abständen ein, weil die verschiedenen Komponenten bei höherer Pumpleistung nicht mehr im Gleichklang laufen, der Laser gewissermaßen Schluckauf bekommt.

Die Dunkelpulse würden ihn an so genannte dunkle Solitonen erinnern, sagt Dirk Englund, Physiker an der Columbia University in New York. Als Solitonen werden Lichtpulse bezeichnet, die beim Durchgang durch spezielle optische Materialien nicht streuen und mit zunehmender Wegstrecke auch keine Energie verlieren. Dieses Phänomen ist schon seit längerem bekannt. „Dunkle Solitonen sind dann die Abwesenheit von Energie in einem kontinuierlichen Lichtstrahl“, erklärt Englund.

Es sei jedoch schwierig, dunkle Solitonen zu erzeugen, sagt Mirin. Deshalb seien sie bisher in der Telekommunikationstechnik nicht eingesetzt worden. In Versuchsanlagen komme es immer wieder vor, dass nur ein einziges dunkles Soliton entsteht. Mit dem Dunkel-Puls-Laser sei es nun viel leichter, einen Solitonen-artigen Effekt über längere Zeit zu erzeugen, so Mirin.

Ob sich die Technologie in der optischen Datenübertragung durchsetzen wird, könne man aber zurzeit noch nicht absehen, schränkt Mirin ein. Weil die mit hellen Lichtpulsen arbeitet, habe man im Laufe der Jahre die Glasfasern so optimiert, dass die Streuung der Pulse möglichst gering ausfällt. Für einen Transport von kurzzeitiger Dunkelheit seien heutige Fasern daher nicht ausgelegt. „Man bräuchte für Dunkel-Puls-Laser neue Glasfasern“, sagt Mirin.

Das Paper: Feng, M. et al., "Dark pulse quantum dot diode laser" , Optics Express Vol. 18, No. 13, S. 13385, 21.6.2010 (nbo)