Winziger Lichtschalter erleichtert Übertragung

Foto: Schema des neuen Schaltelements

Bisherige Mach-Zehnder-Interferometer (MZI) werden hauptsächlich aus dielektrischem Material hergestellt, wie Lithiumniobat, und reagieren auf angelegte elektrische Spannungen. Die Neuentwicklung aus dem Berliner Paul-Drude-Institut für Festkörperelektronik (PDI) dagegen wurde aus der Halbleiterverbindung Galliumarsenid (GaAs) hergestellt. Zudem ist der Modulator winzig. Der aktive Bereich, in dem die Modulation stattfindet, ist nur je 15 Mikrometer lang und breit.

"Das Prinzip von Mach-Zehnder-Interferometern beruht auf Interferenz, also der Überlagerung von Lichtwellen", sagt Dr. Paulo Santos, Arbeitsgruppenleiter am PDI. Ein MZI teilt einen eingehenden Lichtstrahl, lenkt ihn in zwei Arme und führt den Strahl nach kurzer Distanz wieder zusammen. In bisherigen GaAs-Prototypen, die in wenigen Jahren auf den Markt kommen sollen, sind diese Arme einige Millimeter lang. Legt man nun eine elektrische Spannung an das Bauteil, ändert sich die Lichtgeschwindigkeit in einem der Arme. Trifft bei der Zusammenführung der beiden Lichtwellen ein Wellenberg mit einem Wellental zusammen, so kommt es zur Auslöschung. "Das Problem dabei ist, dass die Effizienz gering ist", sagt Santos, "denn die dielektrischen Materialien reagieren nur schwach auf die angelegte Spannung."

Auch bei einer Halbleiterverbindung wie Galliumarsenid bliebe das Problem, wollte man allein mit elektrischer Spannung steuern. Die Wissenschaftler am PDI umgehen die Schwierigkeit, indem sie in das Bauteil eine Art Mini-Schallquelle einbauen, die elektrische Signale in akustische Oberflächenwellen umwandelt. Diese Schallwellen breiten sich auf dem Bauteil aus und beeinflussen den Brechungsindex. Durch eine geschickte Anordnung gelingt es, mit wenig akustischer Energie die Lichtgeschwindigkeit zu verändern.

Der Clou: Anders als etwa Lithiumniobat eignet sich Galliumarsenid hervorragend dazu, selbst Licht zu erzeugen; Halbleiter-Laserdioden sind Routine. Das MZI nach dem Prinzip des PDI könnte also auf einer winzigen Fläche Lichtquelle und Modulator vereinen und aus einem Stück gefertigt werden. Bevor es soweit ist, müssen noch einige technische Herausforderungen gemeistert werden, beispielsweise die Entwicklung effizienterer Prozesse zur Erzeugung von Oberflächenwellen.

COMPAMED.de; Quelle: Forschungsverbund Berlin e.V.