Datenfluss im Petahertz-Takt?

News: Datenfluss im Petahertz-Takt?

Glasfasern und Lichtleiter sind immer dann erster Wahl, wenn es gilt, große Datenmengen über weite Entfernung in möglichst kurzer Zeit zu senden. Dabei sind die Informationen in der Regel in der Intensität oder Wellenlänge des verwendeten Lichts codiert. Prinzipiell würde sich auch die Polarisierung - die "Schwingungsrichtung" einer Lichtwelle - eignen, doch bleibt diese beim Transport oftmals nicht erhalten. Nun fanden Wissenschaftler einen Weg, wie sich diese Eigenschaft des Lichts doch zum Informationstransport nutzen lässt.

Thorsten Krome

Neben der Wellenlänge und der Intensität besitzt elektromagnetische Strahlung eine weitere charakteristische Eigenschaft: die Polarisation. Sie beschreibt, inwieweit das elektrische Feld nur in einer bestimmten, festen Ebene schwingt, oder ob sich diese Ebene auch dreht. Während die Wellenlänge des sichtbaren Lichts seine Farbe definiert, ist die Polarisation viel weniger greifbar, da wir sie von Natur aus nicht wahrnehmen können. Es gibt aber bestimmte Folien und Filter, die Licht nur durchlassen, wenn es eine bestimmte Polarisationsrichtung aufweist. So lässt sich die Polarisation auch für unsere Augen sichtbar machen.

Warum also nicht die Polarisation nutzen, um Informationen zu verschlüsseln und durch Lichtwellenleiter auf die Reise zu schicken? Im Prinzip ist das möglich, praktisch jedoch beeinflussen vielerlei Einflüsse den Polarisationsgrad von Licht in einem solchen Leiter. Eine leichte Biegung, eine etwas erhöhte Temperatur oder sanfter Druck auf das Kabel und schon ändert sich die Polarisation ein wenig – ein Prinzip, das sich zwar dazu eignet die Belastung von transparenten Werkstoffen zu untersuchen, das der zuverlässiger Datenübertragung jedoch einen Riegel vorschiebt.

Gregory VanWiggeren vom Georgia Institute of Technology in Atlanta und Rajarshi Roy von der University of Maryland in College Park fanden indes einen Weg, wie Polarisation nun doch zur Datenübertragung zu gebrauchen ist. Dabei nutzten die Forscher einen so genannten Ringlaser als Sender. Hierbei handelte es sich um einen kreisförmig gebogenen, Erbium-dotierten Lichtleiter. Indem das Licht immer wieder in dieser Anordnung kreiste, verstärkte sich seine Intensität. Bei einem herkömmlichen Laser erreicht man diese Verstärkung sonst dadurch, dass das Licht zwischen zwei Spiegeln hin und her reflektiert wird und so immer wieder ein lichtemittierendes Material passiert.

Das Licht eines Ringlasers ist zwar polarisiert, doch ändert sich die Polarisationsrichtung fortwährend – aber immerhin in vorhersagbarer Art und Weise. Denn die Richtungsänderung spiegelt im Grunde nur die Verdrehung der Polarisationsebene bei jedem Kreis-Durchgang wider. Mit einer geschickten Kombination diverser Filter gelang es den Forschern, diese Drehung nachzuahmen. So ließ sich Licht, dass die Filterkombinationen passierte, nicht von Licht unterscheiden, dass eine zusätzliche Runde im Ringlaser gedreht hatte.

Genau das nutzten VanWiggeren und Roy aus, um Informationen mithilfe der Polarisation zu codieren und über eine längere Strecke zu versenden. Dazu koppelten sie an einer Abzweigung im Ringlaser mit einem Lichtleiter einen Teil der Intensität aus und leiteten sie zu einem Detektor, der unter anderem aus einer Filterkombination besteht, die einen ähnlichen Polarisationswechsel erzeugt, wie der Ring des Senders. Ließ sich mit dem Empfänger nun die Polarisation des Senders vorhersagen, dann definierten die Wissenschaftler dies als "0". Funktionierte diese Prognose nicht mehr, etwa weil die Polarisationsänderung des Lasers absichtlich gestört wurde, so sendete der Empfänger gerade eine "1". Die Qualität der Vorhersage ließ sich überprüfen, indem die ankommenden Lichtstrahlen auf einem etwas längeren Weg die Filter passierten und mit Licht verglichen wurden, das einen kürzeren Weg zurücklegte.

Dabei ist es völlig unerheblich, wie häufig und in welchem Ausmaß sich die Polarisation auf dem Weg zum Empfänger geändert hat. Einzig die zeitliche Abfolge der Änderungen, die charakteristisch für den Sender ist, spiegelt die Information wider. Die potenzielle Übertragungsrate ist dabei enorm. Sie wird durch die Fluktuationen des Lasers bestimmt und die spielen sich im Bereich von Petahertz ab (10¹⁵ Änderungen pro Sekunde) – weit schneller als man sie zur Zeit nachweisen könnte, erklärt Roy.