Kontrolle von Licht auf Nanoebene könnte IKT revolutionieren
In der Elektronik geht es darum, Elektronen so zu manipulieren, dass sie sinnvolle Aufgaben erfüllen. Die Miniaturisierung dieser Technologie hat dazu geführt, dass Computer heute Milliarden elektronischer Transistoren enthalten, die zahlreiche komplexe Operationen ausführen. „Die Photonik basiert auf einer ähnlichen Idee, aber anstelle von Elektronen interessieren wir uns für Photonen – die Elementarteilchen des Lichts“, sagt Sergey Kruk, Hauptforscher des Projekts Nanophotonics, der derzeit an der Australian National University arbeitet. „Wenn wir Photonen kontrollieren können, könnten sie nützliche Informationsträger sein. Der Informationsaustausch mit Licht statt mit Strom funktioniert viel schneller und potenziell energieeffizienter.“
Photonentechnologie miniaturisieren
Das Projekt wurde von Universität Paderborn in Deutschland koordiniert und durch über die Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen unterstützt. Es konzentrierte sich auf die Miniaturisierung einer bestimmten photonischen Technologie – einem optischen Isolator – in ähnlicher Weise, wie die Elektronik im vergangenen Jahrhundert miniaturisiert wurde. Dank der Halbleitertechnologie können elektronische Systeme heute nicht nur eine Handvoll, sondern Millionen und sogar Milliarden Transistoren enthalten. Das Team des Projekts Nanophotonics wollte etwas Ähnliches mit der Photonik erreichen. Anstelle von Dioden und Transistoren werden in der Photonik diese optischen Isolatoren eingesetzt, die weitgehend ähnliche Funktionen wie ihre elektronischen Pendants erfüllen. „Die Technologie der optischen Isolatoren ist ungefähr auf dem Stand, auf dem sich die elektrischen Dioden in der ersten Hälfte des 20. Jahrhunderts befanden“, fügt Kruk hinzu. „Sie sind im Handel erhältlich, sind aber meist nur wenige Zentimeter groß und können Hunderte oder sogar Tausende Euro pro Stück kosten.“ Daher ist es derzeit nicht möglich, Milliarden dieser optischen Isolatoren z. B. in einem einzigen photonischen Chip unterzubringen. Die Möglichkeit, optische Isolatoren im Nanomaßstab herzustellen, könnte jedoch die Photonik revolutionieren und den Markt für photonische Informations- und Kommunikationstechnologien öffnen.
Optische Isolatoren im Nanomaßstab
Kruk wollte nachweisen, dass dies möglich ist. Er startete das Projekt mit dem Entwurf optischer Isolatoren im Nanomaßstab mithilfe von Computersimulationen. „Man kann sich das wie Verkehrsschilder vorstellen, die den Verkehr leiten“, sagt er. „Unsere Elemente auf Nanoebene sorgen dafür, dass das Licht in eine bestimmte Richtung fließt, ähnlich wie Verkehrsschilder den Verkehr auf einer stark befahrenen Straße regeln.“ Diese winzigen Bauteile wurden dann in einem Reinraum angefertigt, in dem auch Computerchips hergestellt werden. Die Bauteile wurden dann in einem Laserlabor getestet. „Wir haben diese Strukturen mit einem Laserstrahl bestrahlt, um zu sehen, was passieren würde“, kommentiert Kruk. Eine interessante Demonstration war ein durchsichtiges strukturiertes Dia im Nanomaßstab. Wenn das Licht durch das Dia fällt, ist ein kodiertes Bild zu sehen, doch wenn man das Dia umdreht und noch einmal hinschaut, ist ein völlig anderes Bild zu sehen. „Dieses Bildpaar stellte nur ein Beispiel für eine Reihe von Möglichkeiten dar, die noch nicht ausgeschöpft wurden“, so Kruk.
Zukunft der Photonik
Mit dem Projekt Nanophotonics wurde dazu beigetragen, das Potenzial der Entwicklung und Herstellung optischer Isolatoren im Nanomaßstab aufzuzeigen. Das ist ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Miniaturisierung der Photonentechnologie. „Die Photonik ersetzt die Elektronik allmählich im großen Maßstab“, fügt Kruk hinzu. „Ich spreche zum Beispiel gerade mit Ihnen von Australien aus über eine Glasfaser, die unter dem Meer verläuft. Die Kommunikation über große Entfernungen erfolgt fast ausschließlich über elektromagnetische Wellen, wie z. B. Infrarotlicht, das durch Lichtwellenleiter fließt.“ Der nächste logische Schritt besteht entsprechend darin, die Photonentechnologie weiter zu verfeinern und zu miniaturisieren und optische Elemente in einzelne Vorrichtungen zu integrieren.
Schlüsselbegriffe
Nanophotonik, Nanoebene, Nanomaßstab, Photonik, Elektronen, Computer, Transistoren, optisch
