Wie Licht Wellen schlägt

News: Wie Licht Wellen schlägt

Wenn es darum geht, Signale störungsfrei von einem Ort zum nächsten zu transportieren, haben Photonen den üblichen Elektronen einiges voraus. Demzufolge ersetzen Glasfaserkabel nach und nach die klassischen Kupferleiter, und Ingenieure arbeiten fieberhaft an der Entwicklung optischer Schaltelemente. Dabei macht ihnen jedoch das Problem zu schaffen, einen Fehler zu lokalisieren, wenn die Optik mal irgendwo 'klemmt'. Die aktuellen Analyseinstrumente zeigen nur die Intensität des Lichtes an, nicht aber die ebenso wichtigen Phaseninformationen. Dazu ist erst ein neues Mikroskop in der Lage, dessen Einsatz nun den Siegeszug der Phototronic vorantreiben soll.

Schon seit einigen Jahren nutzen Physiker immer raffiniertere Licht-Raster-Tunnelmikroskope (photon scanning tunneling microscopes, PSTMs), um die Lichtintensität innerhalb optischer Strukturen zu verfolgen. Sie führen dabei einen 50 Nanometer dünnen Lichtleiter bis auf 20 Nanometer an die Oberfläche des Untersuchungsobjektes heran und fangen jene wenigen Photonen auf, die aus den Strukturen heraus "lecken". Das Prinzip ähnelt damit dem Tunneln von Elektronen von einer atomaren Oberfläche zur superfeinen Spitze eines Raster-Tunnelmikroskops, mit der die Probe abgetastet wird.

Für die Entwicklung "optischer Chips" reicht es jedoch nicht aus, nur die Intensitätsverteilung in den Schaltelementen zu kennen. "Wenn etwas nicht funktioniert, ist es unheimlich schwer herauszufinden, wo es schief geht", sagt Kobus Kuipers von der University of Twente in den Niederlanden. Zusammen mit Kollegen hat er das PSTM verbessert, so dass damit nun auch die Phase des Lichtes gemessen werden kann, während es durch einen optischen Wellenleiter von vier Nanometern Höhe und drei Mikrometern Breite läuft (Physical Review Letters vom 10. Juli 2000). Die winzige Struktur auf der Siliziumdioxid-Oberfläche bestand aus Si₃N₄. Dadurch schickten die Wissenschaftler eine Hälfte eines geteilten Laserstrahls, während sie den Rest als Referenz verwandten. Die Überlagerung dieses Vergleichstrahls mit den Photonen, die der winzige Lichtleiter des PSTMs aufgefangen hat, ergab Interferenzbilder, in denen die Phase des Lichtes zu erkennen war. Im einfachsten Fall erinnerten sie an parallele Linien, die Wasser in feinen Ufersand gezeichnet hat.

Wenn die Physiker das Licht ein wenig manipulierten, sodass zwei Moden mit leicht unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig durch die Struktur flossen, entstanden Phasen-Singularitäten im Wellenmuster. An diesen Stellen verschmolzen zwei aufeinander folgende Lichtwellenmaxima zu einem einzigen – ein Verhalten, das zuvor noch niemand beobachtet hat. Mit einem Computermodell simulierten Kuiper und seine Mitarbeiter das Phänomen und erkannten, dass jeder der beiden Moden sich mit ihrer Methode einzeln verfolgen lässt.

Für die Entwicklung photonischer Bauteile ist es unabdingbar, den Weg des Lichtes im Detail zu kennen, zumal Verunreinigungen im Material dafür sorgen, dass die Strukturen sich anders verhalten, als die Theorie es voraussagt. Und außerdem "macht es uns Physiker einfach an zu sehen, wie sich das Licht mit all seinen Welleneigenschaften ausbreitet", meint Kuipers.

Siehe auch

Spektrum Brennpunkt-Thema vom 2.2.1999
"Rechnen mit Licht"

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