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Licht verstärken mit gasgefüllten Hohlfasern

Konventionelle Glasfasern haben aufgrund ihrer signifikanten Verluste als Lichtwellenleiter nur eine begrenzte Reichweite, im besten Fall einige hundert Kilometer. Die Lösung besteht darin, das Signal nach einer gewissen Distanz mit optischen Verstärkern wieder auf das ursprüngliche Niveau zu bringen.

Genau solche optischen Verstärker fehlten bislang für Signale in den neuen, interessanten Hohlkern-Glasfasern – man musste sie für die Verstärkung erst in ein elektrisches Signal um- und dann wieder zurückwandeln. Einer Gruppe  um EPFL-Professor Luc Thévenaz ist nun aber ein Durchbruch gelungen: Sie entwickelten eine Technologie, die Licht in optischen Hohlkernfasern verstärken kann, so dass Lichtsignale über tausende Kilometer geleitet werden können.

"Die Idee ist mir seit etwa 15 Jahren im Kopf herumgegangen, aber ich hatte weder die Zeit noch Ressourcen, sie umzusetzen.» sagt Luc Thévenaz, der Leiter der Fiberoptik-Gruppe an der EPFL.

Die Quadratur des Kreises

Heutige Glasfasern sind in der Regel Vollfasern, im Inneren ist keine Luft vorhanden. Licht kann sich entlang der Fasern bewegen, verliert aber bereits nach 15 Kilometern die Hälfte seiner Intensität. Es schwächt sich immer weiter ab, bis es in 300 Kilometern Entfernung kaum mehr nachweisbar ist. Um das Licht in Bewegung zu halten, muss es also in regelmäßigen Abständen verstärkt werden.

Der Ansatz von Thévenaz basiert auf neuen optischen Hohlkern-Fasern, die entweder mit Luft oder Gas gefüllt sind. "Die Luft bedeutet eine geringere Dämpfung, so dass sich das Licht über eine längere Strecke ausbreiten kann. Das ist ein echter Vorteil", sagt der Professor. Aber in einer dünnen Substanz wie Luft ist das Licht schwieriger zu verstärken. "Das ist der Kern des Problems: Licht reist schneller, wenn es weniger Widerstand hat, aber gleichzeitig ist es schwieriger, darauf einzuwirken. Glücklicherweise hat unsere Entdeckung die Quadratur dieses Kreises erreicht."

Vom Infrarot bis zum Ultraviolett

Was haben die Forscher also getan? "Wir haben einfach Druck auf die Luft in der Faser ausgeübt, um einen kontrollierten Widerstand zu erzeugen", erklärt Fan Yang, Postdoktorand. "Die Luftmoleküle werden komprimiert und formen sich zu regelmässig angeordneten Clustern. Dadurch entsteht eine Schallwelle, deren Amplitude zunimmt und die das Licht von einer starken Laserquelle effektiv in Richtung des abgeschwächten Strahls beugt, so dass es bis um den Faktor 100'000 verstärkt wird". Ihre Technik macht das Licht also wesentlich leistungsstärker. "Unsere Technologie funktioniert von Ultraviolett bis Infrarot und prinzipiell mit jedem Gas", erklärt er.

Damit steht eine neue Technik für Laser, Signalübertragung und Sensorik zur Verfügung. Die Ergebnisse sind soeben in Nature Photonics veröffentlicht worden.

(Valérie Geneux/EPFL, Übersetzung/Bearbeitung: nano.swiss/MMo)

Originalpublikation

F. Yang, F. Gyger and Luc Thévenaz, “Intense Brillouin amplification in gas using hollow-core waveguides”, Nat. Photonics, https://doi.org/10.1038/s41566-020-0676-z