Glasfaser mit Einstein-Effekt

Einen neuen Mechanismus, Licht durch Glasfasern zu leiten, haben Forscher des Erlanger Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts in photonischen Kristallfasern entdeckt. Photonische Kristallfasern werden der Länge nach von regelmäßig angeordneten hohlen Kanälen durchzogen.

Die Erlanger Physiker haben nun beobachtet, dass Licht durch eine schraubenförmig verdrillte photonische Kristallfaser auf ähnliche Weise geleitet wird wie durch das Weltall, wenn dessen Raum wie von der Allgemeine Relativitätstheorie beschrieben durch die Schwerkraft etwa eines Sterns gekrümmt wird. Glasfasern, die den Effekt ausnutzen, könnten als Umweltsensoren oder Leiter von besonders starken Laserpulsen dienen.

Kernlose Glasfaser: Wenn eine photonische Kristallfaser verdrillt ist, braucht sie keinen Kern mit einem anderen Brechungsindex, um Licht in ihrem Inneren zu bündeln.

Glasfasern wirken wie Rohre für Licht. Und so wie deren Hohlraum von einer Wand umschlossen wird, bestehen auch Glasfasern normalerweise aus einem lichtleitenden Kern, dessen Glas einen höheren Brechungsindex besitzt, als das Glas der äußeren Hülle der Faser. Der Unterschied im Brechungsindex führt dazu, dass das Licht an der Hülle reflektiert und im Kern gehalten wird wie Wasser in einem Rohr.

Einem Team um Philip Russell, Direktor am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, ist es nun zum ersten Mal gelungen, das Licht in einer photonischen Kristallfaser (PCF) zu leiten, die ohne einen solchen Kern auskommt.

Photonische Kristalle färben Schmetterlinge und leiten Licht

Photonische Kristalle bestehen oft aus Glas mit Hohlräumen, die in einem regelmäßigen Muster angeordnet sind. Da das Glas und die Luft unterschiedliche Brechungsindizes aufweisen, entsteht eine periodische Struktur des Brechungsindex. Dieser Struktur verdanken die Materialien den Namen Kristall, weil Atome etwa in einem Salzkristall ein geordnetes dreidimensionales Gitter bilden. Im gewöhnlichen Kristall bestimmt diese 3D-Struktur das Verhalten der Elektronen. So entstehen etwa elektrische Isolatoren, Halbleiter oder Leiter.

Von den 3D-Strukturen der photonischen Kristalle hängen auf analoge Weise deren optischen Eigenschaften ab. So geben photonische Kristalle den Flügeln mancher Schmetterlinge die schillernden Farben. Die Kontrolle der optischen Eigenschaften der Materialien ermöglicht aber auch vielfältige Anwendungen. Mit ihnen ist es möglich, Licht auf Bahnen zu leiten, ähnlich wie Strom in elektronischen Schaltungen.

Das verspricht unter anderem Computer, die im wahrsten Sinne des Wortes mit Lichtgeschwindigkeit rechnen. Heute bereits werden sie als Bauelemente in der Telekommunikation eingesetzt, etwa um Lichtsignale um äußerst enge Kurven zu lenken. Mit den photonischen Kristallen in Form von Fasern, die Philip Russell und seine Mitarbeiter am Erlanger Max-Planck-Institut entwickelt haben, lassen sich etwa bestimmte Wellenlängen aus dem optischen Spektrum filtern oder es lässt sich mit ihnen besonders weißes Licht erzeugen.

Wie alle in der Telekommunikation verwendeten Glasfasern, besitzen auch die derzeit gebräuchlichen photonischen Kristallfasern einen Kern und eine Hülle mit unterschiedlichen Brechungsindizes. Dabei verleihen in PCF bereits die luftgefüllten Kanäle dem Material einen anderen Brechungsindex, als ihn ein solider Kern aufweist.

Die Öffnungen definieren den in einer photonischen Kristallfaser

„Uns ist es erstmals gelungen, Licht durch eine kernlose Faser zu leiten“, sagt Gordon Wong vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen. Die Forscher rund um das Team von Philip Russell haben eine photonische Kristallfaser hergestellt, die der Länge nach und über den gesamten Querschnitt von vielen luftgefüllten Röhrchen von etwa einem tausendstel Millimeter Durchmesser durchzogen wird.

Während der Kern einer herkömmlichen PCF keine Kanäle aufweist, erinnert der Querschnitt der neuen Glasfaser an ein Sieb. Die Löcher haben gleichmäßige Abstände und sind so angeordnet, dass jedes Loch von einem regelmäßigen Sechseck aus benachbarten Löchern umgeben ist. „Diese Struktur definiert den Raum in dieser Faser“, erklärt der Erstautor der Arbeit Ramin Beravat. Man kann sich die Öffnungen wie Abstandsmarken vorstellen. Demnach besitzt das Innere der Faser eine Art künstliches Raumgefüge, das durch das regelmäßige Gitter aus Hohlräumen aufgespannt wird.

„Wir haben die Faser nun in verdrillter Form hergestellt“, fährt Beravat fort. Durch das Verdrillen laufen die Hohlkanäle in Schraubenlinien entlang der Faser. Die Forscher sendeten dann Laserlicht durch die Faser. Eigentlich würde man für den gleichmäßigen, kernlosen Querschnitt erwarten, dass sich das Licht zwischen den Löchern des Siebs verteilt, und zwar genauso gleichmäßig wie es deren Muster vorgibt, also am Rand nicht weniger als in der Mitte. Stattdessen beobachteten die Physiker Erstaunliches: Das Licht konzentrierte sich auf den zentralen Bereich, wo sich bei einer herkömmlichen Glasfaser der Kern befindet.

In einer verdrillten PCF folgt das Licht dem kürzesten Weg im Faser-Inneren

„Der Effekt ist analog zur Krümmung des Raumes durch eine Masse in Einsteins Allgemeiner Relativitätstheorie“, erklärt Wong. Demnach verformt eine schwere Masse wie die Sonne den sie umgebenden Raum – genauer: die Raumzeit, also die Vereinigung der drei Raumdimensionen mit der vierten Dimension, der Zeit –, wie eine Gummihaut, in die man eine Bleikugel legt. Licht folgt dieser Krümmung. Der kürzeste Weg zwischen zwei Punkten ist dann eben nicht mehr eine gerade Linie, sondern eine Kurve. So werden bei einer Sonnenfinsternis Sterne sichtbar, die eigentlich hinter dem Zentralgestirn liegen. Physiker sprechen bei solchen kürzesten Verbindungswegen von geodätischen Linien.

„Durch das Verdrillen der Faser wird der ‚Raum’ in unserer photonischen Kristallfaser ebenfalls verdrillt“, sagt Wong. Dies führe zu spiralförmigen geodätischen Linien, die das Licht gefangen hielten. Das lässt sich intuitiv verstehen, wenn man berücksichtigt, dass Licht immer den kürzesten Weg durch ein Medium nimmt. Das Glas zwischen den luftgefüllten Kanälen beschreibt Spiralen. Diese definieren mögliche Wege für das Licht. Der Weg durch die weiten Spiralen am Rand der Faser ist nun aber länger als der durch die engeren Spiralen in ihrem Zentrum. Also folgt das Licht den Spiralen im Innern der Faser.

Eine verdrillte PCF als großflächiger Umweltsensor

Je stärker die Faser verdrillt war, auf desto engerem Raum konzentrierte sich das Licht. Das entspricht in der Analogie zu Einsteins Theorie einer größeren Gravitationskraft und somit einer stärkeren Ablenkung des Lichtes. Die Erlanger Forscher schreiben, sie hätten einen „topologischen Kanal“ für das Licht geschaffen (Topologie beschäftigt sich mit den Eigenschaften des Raumes, die unter kontinuierlicher Verformung erhalten bleiben).

Die Forscher betonen, dass es sich bei ihrer Arbeit um Grundlagenforschung handelt. Sie gehören zu den weltweit wenigen Forschergruppen auf diesem Gebiet. Dennoch können sie sich einige Anwendungen ihrer Entdeckung vorstellen. Eine verdrillte Faser zum Beispiel, die in einigen Abständen weniger verdrillt ist, sodass ein Teil des Lichtes nach außen dringen kann. Licht könnte dann an diesen definierten Stellen mit der Umwelt in Wechselwirkung treten. „Das ließe sich für Sensoren anwenden, die etwa die Absorption eines Mediums vermessen“. Ein Netz aus solchen Fasern könnte als Umweltsensor großflächig Daten sammeln. Weil die Faser besonders starke Laserpulse ohne große Verluste leiten kann, wären zudem Anwendungen auch in diesem Bereich denkbar.

Ansprechpartner

Dr. Gordon Wong
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen
Telefon: +49 9131 7133-246
E-Mail: gordon.wong@mpl.mpg.de

Prof. Dr. Philip St. J. Russell
Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts, Erlangen
Telefon: +49 9131 7133-200

Fax: +49 9131 7133-209
E-Mail: philip.russell@mpl.mpg.de

Originalpublikation
Ramin Beravat, Gordon K. L. Wong, Michael H. Frosz, Xiaoming Xi und Philip St. J. Russell

Twist-induced guidance in coreless photonic crystal fiber: A helical channel for light

Science Advances, 25. November 2016; doi: 10.1126/sciadv.1601421