Innovationen durch haarfeine optische Fasern

Wissenschaftler der Universität Bonn haben auf ganz einfache Weise haarfeine, optische Faser-Filter gebaut. Sie sind nicht nur extrem kompakt und stabil, sondern auch noch in der Farbe abstimmbar. Damit lassen sie sich in der Quantentechnologie einsetzen sowie als Sensoren, etwa für die Temperatur oder zum Nachweis atmosphärischer Gase. Die Ergebnisse sind im Fachjournal “Optics Express” veröffentlicht.

Optische Fasern, die nicht viel dicker sind als ein menschliches Haar, sind heute nicht nur das Rückgrat unseres weltweiten Nachrichtenverkehrs. Mit ihnen werden auch außerordentlich empfindliche und wegen ihrer geringen Baugröße und Robustheit geschätzte Sensoren für Temperatur, chemische Stoffe und vieles mehr entwickelt.

Ein wichtiges Bauteil in solchen Systemen sind optische Resonatoren oder Filter, die aus dem kontinuierlichen Licht spektral scharfe Farblinien herausschneiden. Diese Filter bestehen im einfachsten Fall aus zwei gegenüberliegenden Spiegeln, zwischen denen das Licht so präzise hin und hergeworfen wird wie das Pendel eines Uhrwerks. Die Farbe des Lichtfeldes wird dabei durch den Spiegelabstand bestimmt.

Geeignete Spiegel lassen sich schon länger mit hoher Qualität auf den Enden solcher haarfeinen Fasern integrieren. Forschern der Universität Bonn ist es nun gelungen, auf ganz einfache Weise haarfeine, optische Faser-Filter zu bauen. Sie sind nicht nur extrem kompakt und stabil, sondern auch noch in der Farbe abstimmbar. Die Wissenschaftler haben die Faserenden mit den Spiegeln in eine gemeinsame Hülse geklebt, die mit Piezokristallen gedehnt wird, und dadurch den Abstand der Spiegel kontrolliert.

“Der miniaturisierte optische Filter leistet einen weiteren Beitrag, um Photonik und Quantentechnologien zur entscheidenden Technologie des 21. Jahrhunderts zu machen”, sagt Prof. Dr. Dieter Meschede vom Institut für Angewandte Physik der Universität Bonn. Der Wissenschaftler ist Mitglied im Exzellenzcluster “Matter and light for quantum computing” (ML4Q) der Universitäten Bonn und Köln sowie der RWTH Aachen und auch im Transdisziplinären Forschungsbereich “Bausteine der Materie und grundlegende Wechselwirkungen” der Universität Bonn aktiv.

Die miniaturisierten hochstabilen optischen Präzisionsfilter versprechen zahlreiche Anwendungen: Sie speichern Lichtenergie in einem winzigen Volumen, so dass schon einzelne Photonen für Zwecke der Quantentechnologie effizient gespeichert und manipuliert werden können. Ihre hohe Empfindlichkeit bietet sich zum Bau extrem kompakter und selektiver Sensoren an, zum Beispiel zum Nachweis atmosphärischer Gase. Bei Verwendung noch stabilrer Materialien für die Hülse könnten winzige optische Uhrwerke extrem hoher Frequenzstabilität möglich werden.

Beteiligte Institutionen und Förderung

An der Studie ist neben der Universität Bonn auch die Universidad de Guanajuato (Mexiko) beteiligt. Das Projekt wird im FaResQ-Projekt des Quantenschlüsselkomponenten-Programms des Bundesministeriums für Forschung und Technologie gefördert. Die Infrastruktur zur Herstellung und Bearbeitung der Fasern geschieht im “Bonn Fiberlab”, das vom Exzellenzcluster ML4Q betrieben wird.

Wissenschaftliche Ansprechpartner:

Prof. Dr. Dieter Meschede
Institut für Angewandte Physik
Universität Bonn
Tel. +49 (0)228 733477
E-Mail: meschede@uni-bonn.de

Originalpublikation:

Carlos Saavedra, Deepak Pandey, Wolfgang Alt, Hannes Pfeifer, and Dieter Meschede: Tunable fiber Fabry-Perot cavities with high passive stability, Optics Express, https://doi.org/10.1364/OE.412273

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