Mikroresonator und Lichtstrahlen

Wird Licht in winzige Glasringe eingesperrt, zeigt sich ein verblüffendes Verhalten: Zwei Lichtstrahlen, die sich in entgegengesetzter Richtung bewegen, beeinflussen sich auf einmal gegenseitig und beginnen zu pulsieren. Dieser bizarre photonische Effekt lässt sich womöglich nutzen, um optische Schaltungen zu bauen und Informationen zu verschlüsseln.

Konzentrieren Wissenschaftler*innen Laserlicht sehr stark, beginnt es die Eigenschaften von Materialien zu verändern – was zu unerwarteten und interessanten Effekten führt. So hat ein internationales Forschungsteam jetzt eine neuartige Form der Wechselwirkung von aufeinander zurasenden Lichtwellen in winzigen Mikroresonator-Glasringen, entdeckt. Die Mitarbeiter*innen vom Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts in Erlangen, der Universität von Strathclyde in Glasgow, der Heriot-Watt Universität in Edinburgh (beide in Schottland) und dem National Physical Laboratory des Vereinigten Königreichs im englischen Teddington haben ihre Entdeckung nun in dem angesehenen Fachmagazin Physical Review Letters veröffentlicht. Sie arbeiten mit Mikroresonatoren, wenige Millimeter große Strukturen, in denen Licht einmal angeregt millionenfach kreisen kann. Sie haben Licht dazu gebracht, von selbst zu pulsieren und spontan seine Richtung zu wechseln. Dieser Effekt kann chaotisch auftreten oder streng periodisch – je nachdem wie sich die Frequenz der Lichtquelle – einem Laser – verändert. Die Erkenntnisse der Physiker*innen können helfen, photonische Chips mit optischen Schaltern oder Geräte zum Codieren von Daten zu entwickeln.

Symmetrie-Brechung führt zu pulsierendem Licht

Forscher*innen weltweit arbeiten intensiv daran, die bizarren Phänomene in Mikroresonatoren zu verstehen, die gegenläufig kreisende Lichtstrahlen dazu veranlassen, miteinander quasi zu sprechen. Dabei verändert sich der Brechungsindex, den der jeweils andere Strahl sieht. Dieses Zwiegespräch, Kreuzphasen-Kopplung genannt, führt dazu, dass die beiden gegenläufigen Lichtwellen unterschiedlich stark leuchten – obwohl die ursprünglichen Eingangslaser, die in den Resonator geleitet werden gleich stark sind. Damit handelt es sich um eine spontane Symmetrie-Brechung. Die Schwankungen können so instabil werden, dass das Licht zu pulsieren beginnt, wie die Wissenschaftler*innen jetzt beobachtet haben. Mal ist der eine Strahl der hellste, dann der andere. Dieses Wechselspiel kann periodisch oder chaotisch ablaufen und mehrere hunderttausendmal pro Sekunde erfolgen.

„Das wirklich faszinierende ist, dass trotz des Verlustes der Symmetrie (ein Strahl ist heller als der andere) das Licht im Resonator versucht, die alte Ordnung wieder herzustellen, indem erst der eine, dann der andere Lichtstrahl intensiver leuchtet“, sagt Michael Woodley, einer der beiden Hauptautoren, der mittlerweile im Quantum Measurement Lab des Imperial College in London arbeitet. 

„Diese Entdeckungen sind nicht nur für die Grundlagenforschung spannend, weil sie helfen zu verstehen, auf welch exotische Art sich Licht verhalten kann.“ sagt Pascal Del’Haye, Co-Autor sowie Leiter der unabhängigen Forschungsgruppe "Mikrophotonik" am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts. Sie könnten darüber hinaus auch einen Beitrag leisten, aus Mikroresonatoren, winzige, rein optische Schaltungen zu bauen, um Licht in Echtzeit zu lenken, Signale zu verschlüsseln und kryptografische Algorithmen auf Basis von chaotischen Pulsen zu entwickeln.

Further information:

Pascal Del’Haye

Forschungsgruppe Microphotonik

pascal.delhaye@mpl.mpg.de