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Neue Messung bestätigt starke Licht-Schall-Kopplung in einer Glasfaser
Beim Transport von Licht durch Glasfasern bleibt für die Wechselwirkung mit akustischen Wellen nur wenig Zeit. Forschern ist es dennoch gelungen, eine starke Kopplung zwischen beiden Wellen nachzuweisen, ohne Licht mehrfach durch einen Resonator zu schicken. Das Experiment könnte eine Grundlage für künftige quantenbasierte Signalverarbeitung direkt in Glasfasern schaffen.
Erlangen (Deutschland). Licht kann Informationen über weite Strecken schnell übertragen, während sich Schallwellen wesentlich langsamer ausbreiten. Die Wechselwirkung zwischen beiden könnte deshalb helfen, optische Signale umzuwandeln oder vorübergehend in akustischen Schwingungen zu speichern. Für manche Anwendungen in der Quantentechnik müsste diese Kopplung jedoch stärker sein als die Verluste der beteiligten Wellen.
Bisherige Experimente mit stark gekoppelten optischen und akustischen Wellen nutzten dafür meist Resonatoren. Darin durchläuft das Licht denselben Bereich immer wieder und kann entsprechend oft mit Schwingungen wechselwirken. In einer gewöhnlichen Glasfaser läuft es dagegen nur einmal an ihnen vorbei, was eine vergleichbar starke Wechselwirkung deutlich erschwert.
Forscher des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts (MPL) um Prof. Dr. Birgit Stiller haben nun gezeigt, dass es auch ohne optischen oder mechanischen Resonator geht. Dafür ließen sie Laserlicht durch eine besonders stark wechselwirkende, mit Germanium dotierte Glasfaser laufen. Die Faser war auf vier Kelvin, also rund minus 269 Grad Celsius, abgekühlt.
Entscheidend ist die sogenannte Brillouin-Streuung. Dabei wechselwirkt das eingestrahlte Licht mit akustischen Schwingungen des Glasfasermaterials und verändert seine Frequenz. In dem Experiment verstärkte ein Laser diese Wechselwirkung so weit, dass optische und akustische Wellen nicht mehr unabhängig voneinander reagierten.
Das zeigte sich im gemessenen Spektrum. Bei schwacher Anregung erschien zunächst eine einzelne Resonanz, die sich bei höherer Laserleistung in zwei Signale aufspaltete. Der größte gemessene Abstand zwischen diesen beiden Signalen betrug 26,7 Megahertz. Die Beobachtungen stimmten mit den theoretischen Berechnungen des Teams überein.
Eine Aufspaltung des Spektrums liefert bereits einen Hinweis auf starke Kopplung. Um diesen Befund zusätzlich abzusichern, entwickelten die Forscher ein Messverfahren, das die Frequenzen der beteiligten Wellen gezielt gegeneinander verschiebt. Dabei zeigte sich eine vermiedene Kreuzung, bei der sich die gemeinsamen Schwingungszustände im Spektrum nicht einfach überlagern, sondern ausweichen.
„Unsere neue Messtechnik zeigt das deutlichste Zeichen starker Kopplung: die Spektrallücke, die sonst nur in Resonatoren sichtbar ist“, erklärt Laura Blázquez Martínez vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts.
Damit ließ sich die Wechselwirkung zwischen Licht und Schall auch in einer durchgehenden Glasfaser eindeutig experimentell charakterisieren. Der Versuch kommt ohne die aufwendige Abstimmung zweier eingeschlossener Resonanzschwingungen aus. Gleichzeitig zeigen die Messungen, dass sich starke Kopplung bereits während eines einzigen Lichtdurchlaufs erreichen lässt.
Langfristig könnten solche Glasfasern mehr leisten als die reine Übertragung optischer Signale. Akustische Wellen eignen sich wegen ihrer vergleichsweise geringen Ausbreitungsgeschwindigkeit grundsätzlich als Zwischenspeicher, während Glasfasern bereits die bestehende Kommunikationsinfrastruktur prägen. Dafür müsste sich die Wechselwirkung auch zum kontrollierten Austausch empfindlicher Quantenzustände nutzen lassen.