Aufbauend auf dem Anti

Sep 03, 2023

26. Januar 2023

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von der Yale University

Aufbauend auf einem bahnbrechenden „Anti-Laser“ hat ein Forscherteam ein System entwickelt, das Licht und andere elektromagnetische Wellen ohne unerwünschte Signalreflexionen zur Signalverarbeitung leiten kann – eine Innovation, die lokale Netzwerke, den Bereich der Photonik usw. voranbringen könnte andere Anwendungen.

Die von A. Douglas Stone aus Yale und Philipp del Hougne von der Universität Rennes in Frankreich geleiteten Ergebnisse werden in Science Advances veröffentlicht.

Vor etwas mehr als einem Jahrzehnt leitete Stone ein Team bei der Entwicklung des Anti-Lasers oder „kohärenten perfekten Absorbers“ (CPA). Anstatt wie ein Laser einen Strahl auszusenden, absorbiert ein Antilaser das einfallende Licht mit der gleichen Präzision.

In einem Laser prallt Licht zwischen zwei Spiegeln hin und her und durchläuft jedes Mal ein verstärkendes Material – das sogenannte „Verstärkungsmedium“ – wie Galliumarsenid. Da das Licht eine bestimmte Wellenlänge hat, entsteht eine Rückkopplung, die immer stärker wird. In einer typischen Lichtquelle – zum Beispiel einer gewöhnlichen Glühbirne – strahlen Atome unabhängig voneinander und erzeugen Licht mit vielen verschiedenen Wellenlängen, und das Licht breitet sich dadurch in viele Richtungen aus. Bei Lasern strahlen Atome jedoch mit derselben Frequenz und in derselben Richtung und erzeugen so einen konzentrierten Strahl einer einzigen Wellenlänge.

Der Unterschied beim Anti-Laser besteht darin, dass anstelle eines verstärkenden Materials eines verwendet wird, das das Licht absorbiert – also ein „Verlustmedium“. In seiner einfachsten Version teilt der Antilaser einen einzelnen Laserstrahl in zwei und lenkt die beiden Strahlen ineinander, sodass sie auf einem hauchdünnen Siliziumwafer treffen. Die Wellen des Lichts sind präzise darauf abgestimmt, ineinander zu greifen und einzufangen. Sie verflüchtigen sich dann in Wärme.

Für ihre jüngste Arbeit bauten die Forscher auf diesem Konzept auf und entwickelten ein Gerät, das auf sogenannten „Reflectionless Scattering Modes“ (RSMs) basiert.

„Wir haben gefragt, ob es ein Prinzip wie dieses gibt, mit dem wir Licht leiten können, anstatt es in eine andere Energieform umzuwandeln“, sagte Stone, Carl A. Morse-Professor für Angewandte Physik und Physik. „Denn bei optischen Fasern und modernen photonischen Schaltkreisen ist es äußerst wertvoll, das Licht zu leiten und es nicht zurückreflektieren zu lassen.“

Von dort aus entwickelten sie das Gerät, das die Wellen nicht absorbierte, sondern auf bestimmte Kanäle umleitete. Stone arbeitete an der theoretischen Seite des Projekts, während Philipp del Hougne von der Universität Rennes in Frankreich das eigentliche Gerät baute.

„Anstatt alles umzuwandeln, könnte es entweder vollständig in unsere gewählten Ausgangskanäle gelangen oder ein Teil davon könnte absorbiert werden und der Rest in die Ausgangskanäle gelangen“, sagte Stone. „Im nächsten Schritt wollen wir ein ähnliches Gerät herstellen, bei dem die Absorption vernachlässigbar ist, sodass die gesamte Energie effizient zur Erfüllung ihrer Informations- oder Sensorfunktion weitergeleitet wird. Es besteht großes Interesse an solchen Technologien, um den Stromverbrauch von Zellen zu reduzieren.“ Telefonnetze zum Beispiel.“

Das Gerät eliminierte Signalreflexionen, die seit langem ein Problem für Signalrouter darstellen, einem zentralen Bestandteil moderner nanophotonischer und Hochfrequenznetzwerke. Solche Reflexionen verursachen nicht nur einen Signalleistungsverlust, sondern können auch verheerende unerwünschte Echos der reflektierten Signalleistung im Netzwerk verursachen.

Mehr Informationen: Jérôme Sol et al., Reflexionslose programmierbare Signalrouter, Science Advances (2023). DOI: 10.1126/sciadv.adf0323

Zeitschrifteninformationen:Wissenschaftliche Fortschritte

Zur Verfügung gestellt von der Yale University