Photonik: Informationsverarbeitung mit Licht

Photonik: Informationsverarbeitung mit Licht

 

Immer schneller sollen auf immer weiter reichenden Verbindungen immer mehr Daten übertragen werden. Was liegt da näher, als diese Information dem Medium mit der höchsten Ausbreitungsgeschwindigkeit anzuvertrauen — dem Licht? Ob beim Lesen einer E-Mail, beim Abspielen einer CD, beim Telefonieren, Fernsehen oder beim Abfragen von Suchdiensten im Internet — in immer stärkerem Maße beruhen heute der Austausch und die Speicherung großer Datenmengen auf der Glasfaser- und Lasertechnik. In naher Zukunft könnte auch die Verarbeitung der gespeicherten Informationen, das Rechnen, statt auf elektronischem Weg mithilfe von Licht geschehen. Und sollen diese Daten schließlich sichtbar gemacht und präsentiert werden, so stehen mit Laserdruckern und der neuartigen Laser-Display-Technik (»Laser-TV«) weitere Geräte zur Verfügung, in denen Laser eine entscheidende Rolle spielen.

 

Mit Ausnahme der Laser-Display-Technik ist das Gebiet der Datenübertragung und -speicherung heute das wichtigste Anwendungsgebiet von Halbleiterlasern. Diese Lichtquellen erfüllen alle Punkte auf der Anforderungsliste der Konstrukteure und sind zudem in Massenproduktion nicht nur kostengünstig, sondern auch außerordentlich kompakt herstellbar. Und im Gegensatz zu fast allen anderen Lasertypen sind sie sehr einfach zu betreiben, da sie elektrisch gepumpt werden können.

 

Beim Übermitteln von Informationen ist eine genügend große Kohärenzlänge unabdingbar, und genau dies ist der Grund, warum für diese Anwendungen nur Laser als Lichtquellen infrage kommen. Um zusätzlich eine möglichst große Informationsmenge gleichzeitig zu senden, muss die Anzahl der gleichzeitig übertragbaren Frequenzen, die Bandbreite, möglichst groß sein. Auch diese Anforderung erfüllen Halbleiterlaser: Sie können über die Variation der zum Pumpen angelegten elektrischen Spannung problemlos bis in den Gigahertzbereich (ein Gigahertz bedeutet eine Milliarde Schwingungen pro Sekunde) betrieben werden.

 

Der größte Vorteil von Licht als Datenträger ist jedoch, dass Lichtstrahlen im Allgemeinen ohne gegenseitige Beeinflussung nebeneinander herlaufen oder sich sogar durchdringen können. Elektrische Ströme hingegen treten über das sie umgebende Magnetfeld miteinander in Wechselwirkung; diese gegenseitige Störung der elektronischen Signale ist letztlich der Grund, warum die elektronische Datenverarbeitung nur bis zu einer bestimmten Grenze miniaturisierbar ist.

 

 Glasfasern für die Telekommunikation

 

Ein Netz von Glasfasern umspannt inzwischen die gesamte Welt und durchzieht selbst die Ozeane. In nicht mehr allzu ferner Zukunft wird vermutlich jeder Haushalt an dieses Netz angeschlossen werden und damit an der weltweiten Telekommunikation teilhaben können.

 

Die optische Informationsübertragung beginnt, vereinfacht gesagt, damit, dass eine Laserdiode durch ein angelegtes elektrisches Signal dazu gebracht wird, eine dem Signal entsprechende Hell-Dunkel-Folge von Licht zu emittieren. Dies ist die digitale Computersprache, die jegliche Information als Folge von Nullen und Einsen verschlüsselt. Diese optischen Signalfolge wird durch Lichtleiter aus Glas, die mittlerweile weit bekannten Glasfasern, transportiert. Am Ende der Leitung werden die optischen wieder in elektronische Signale umgewandelt, die ihrerseits entweder direkt an einem Computer weitergeleitet oder in akustische (Telefon) oder Bildsignale (Fernsehen) umgewandelt werden.

 

Dass das Übermitteln von Information über Lichtleiter keineswegs eine triviale Aufgabe ist, wird deutlich, wenn man sich Folgendes veranschaulicht: Verbindet eine Glasfaser etwa zwei 40 Kilometer voneinander entfernte Orte, so muss das Licht einen Glasblock von 40 000 Meter Dicke durchdringen, und das nach Möglichkeit ohne Verluste oder Verfälschungen! Das eine Problem, welches dabei behoben werden muss, ist die Abschwächung, die Nachrichtentechnik spricht dabei von Dämpfung. Schon minimale Dämpfung könnte das Signal bei einer Übertragung über große Entfernungen bis zur Unkenntlichkeit abschwächen. Neben der Absorption durch Verunreinigungen oder in die Faser diffundiertem Wasser tritt Dämpfung des Lichts auch an kleinsten Strukturveränderungen wie mikroskopisch kleinen Rissen oder Gasbläschen auf — beidem kann fast nur durch äußerste Sorgfalt bei der Produktion begegnet werden. Zudem treten Strahlungsverluste an Verbindungen zwischen zwei Fasern und beim Lichtaustritt am Ende der Faser auf. Um ein abgeschwächtes Signal wieder zu regenerieren, kann es jeweils nach einer bestimmten Weglänge ausgelesen, verstärkt und zurück in die Faser geleitet werden. Das Durchlaufen solcher Repeater kostet jedoch Zeit und begrenzt die Übertragungsrate, zudem sind etwaige Wartungsarbeiten an Unterseekabeln extrem teuer. Eine wesentlich bessere Lösung sind daher erbiumdotierte Faserverstärker, dies sind Faserstücke mit eingelagerten Fremdatomen des Seltenerdmetalls Erbium. Diese werden von außen durch Laserdioden optisch gepumpt und verstärken das die Faser durchlaufende Licht wie ein zusätzliches Lasermedium direkt. Mit ihrer Hilfe kann Licht inzwischen über 400 Kilometer ohne Repeater durch eine Glasfaser übertragen werden. Generell zeigen Glasfasern bei einer Wellenlänge von 1550 Nanometern ein Minimum an Dämpfung. Daher kann die Dämpfung auch durch Wahl einer in diesem Bereich liegenden Wellenlänge reduziert werden; entsprechend emittierende Laserdioden können heute preisgünstig hergestellt werden.

 

Der zweite Prozess, der die dem Licht aufgeprägte Information gleichsam »verwischt« und damit unkenntlich macht, ist die Dispersion, in der Photonik auch Materialdispersion genannt. Deren Einfluss kann jeder beobachten, der ein Glasprisma in einen weißen Lichtstrahl hält und dann auf einem Schirm dahinter einen Farbverlauf wie bei einem Regenbogen sieht. Dieser Auffächerung eines Lichtsignals in Teilstrahlen unterschiedlicher Wellenlängen findet auch in Glasfasern statt: Werden Lichtsignale mit einer bestimmten Bandbreite, also leicht unterschiedlichen Wellenlängen, in eine Faser eingespeist, so laufen am Dämpfungsminimum bei 1550 Nanometern die kurzwelligeren Anteile des Signals den langwelligeren davon, sodass das Signal auseinander gezogen wird und sich mit den davor und danach laufenden Signalen vermischt. Die Materialdispersion wirkt sich natürlich desto geringer aus, je schmalbandiger das Laserlicht ist, je exakter monochromatisch es also ist. Auch aus diesem Grund verwendet man als Lichtquellen Laserdioden, die eine spektrale Breite von nur 0,1 Nanometern besitzen. Eine Alternative ist das Ausweichen zu einer Wellenlänge von 1300 Nanometern — trotz der dort höheren Dämpfung; bei dieser Wellenlänge hat hier die Materialdispersion ein Minimum.

 

Innerhalb der Glasfaser können sich Lichtwellen auf verschiedene Weisen fortbewegen. Ähnlich wie die Oberfläche einer Tasse Kaffee in konzentrischen Kreisen, wechselseitig auf und ab oder in noch komplexeren Mustern schwingen kann, können sich die Lichtwellen in verschiedenen räumlichen Mustern fortbewegen. Diese stabilen oder wandernden Schwingungszustände werden Moden genannt. Auch sie können in Glasfasern einer Dispersion unterliegen — man spricht dann von Modendispersion. Eine Lichtwelle in einer Glasfaser, die sich in einer Mode befindet, in der sie fast immer in der Mitte der Faser läuft, legt natürlich einen kürzeren Weg zurück als in einer Mode, in der sie die Faser im Zickzack durchquert: Der geradliniger laufende Strahl kommt bei gleicher Ausbreitungsgeschwindigkeit entsprechend früher am Ende der Faser an. Durch diesen Vorgang wird das Signal also ebenso auseinander gezogen wie durch die Materialdispersion. Eine Abhilfe dafür stellen Gradientenindexfasern mit einem parabelförmigen radialen Brechungsindexprofil dar. Diese Profilform macht aus den Zickzackkursen wellenförmige Bahnen, wobei das Licht im Randbereich schneller laufen und so den »Umweg« wieder ausgleichen kann. Noch effizienter hingegen sind Singlemodefasern, die einen so geringen Durchmesser haben, dass sich überhaupt nur noch eine einzige, zentrale Mode ausbreiten kann. Allerdings haben diese Fasern natürlich eine geringere Übertragungskapazität als Multimodenfasern.

 

 Optische Datenspeicherung: CD-ROM und DVD

 

Während bei der optischen Datenübertragung die wandernden Lichtwellen selbst Träger der digitalisierten Information sind, ist in einem optischen Datenspeicher die Information als Muster von unterschiedlichen Oberflächenstrukturen oder Gebieten unterschiedlicher Brechkraft kodiert. Erst wenn diese Strukturen beim Auslesen beleuchtet werden, entsteht ein optisches Signal, das weitergeleitet, verarbeitet oder in ein elektronisches Signal umgewandelt werden kann. Der große Vorteil gegenüber anderen Speichermedien liegt dabei darin, dass bei optisch gespeicherten Daten das Auslesen mit Licht, also berührungsfrei geschieht — es ist im wahrsten Sinn des Worts ein »Lesen«. Dahingegen nimmt etwa bei herkömmlichen Schallplatten die Qualität der Rille durch das Kratzen der Abtastnadel ständig ab.

 

Das bekannteste Beispiel eines optischen Speichers sind Audio-CDs und CD-ROMs. CDs können äußerst kostengünstig hergestellt werden und verhältnismäßig große Datenmengen speichern: Mit 747 Megabyte enthalten sie etwa so viel Information wie 250 dicke Bücher, 500 3,5-Zoll-Disketten oder ein Konzert von 74 Minuten Länge.

 

Eine CD besteht aus einem reflektierenden Aluminium- oder Silberfilm, der auf einer Kunststoffscheibe mit zwölf Zentimetern Durchmesser aufgebracht ist und mit einer durchsichtigen, etwa 30 Mikrometer dicken Schutzschicht aus Acryl oder einem ähnlichen Kunststoff versiegelt wird. Auf dieser Scheibe sind die Daten auf einer insgesamt fünf Kilometer langen Spur angelegt, welche sich spiralförmig vom Innern der Scheibe bis zum Rand zieht. Der Grund für diese im Vergleich zur Schallplatte umgekehrte Schreibrichtung liegt — außer in herstellungstechnischen Gründen — darin, dass eine mögliche spätere Änderung der Normgröße einfacher etabliert werden kann. Die Spur ist mit einem halben Mikrometer so breit wie die Wellenlänge von sichtbarem Licht, der Abstand der einzelnen Windungen beträgt etwa eineinhalb Mikrometer. In der Spur befinden sich längliche Vertiefungen, die »Pits«, der dazwischen und daneben liegende, »ebenerdige« Bereich heißt »Land«. Die digitale Information steckt dabei nicht in der Tiefe oder Höhe auf der Spur, sondern in den Übergängen: eine »Eins« wird von dem Beginn oder Ende eines Pits kodiert, eine »Null« von einem konstanten Pit- oder Landbereich auf der Spur.

 

Die Datenspur befindet sich exakt im Fokus eines Laserstrahls, der sie abtastet, während sich die CD unter ihm dreht. Das Licht der dafür verwendeten Laserdiode hat eine Leistung von etwa einem Milliwatt und eine Wellenlänge von 780 Nanometern (0,78 Mikrometern), diese liegt also im Infraroten. Entscheidend ist nun, dass der Fokus dieses Strahls etwas breiter ist als die Pits der Datenspur. Streicht der Strahl über »Land«, so wird er vollständig reflektiert und über ein Prisma auf einen Detektor gelenkt. Streicht er aber über ein Pit, so löschen sich die vom Pit und die vom umliegenden Land reflektierten Lichtanteile gerade aus, sodass der Detektor im Idealfall kein Licht mehr empfängt. Dieses Auslöschen wird dadurch erreicht, dass die Pittiefe mit 195 Nanometern genau ein Viertel der Laserwellenlänge beträgt, sodass es zur destruktiven Interferenz kommt. Beim Abfahren der Datenspur registriert der Detektor also eine Folge von hellen und dunklen Lichtsignalen und wandelt sie in ein entsprechendes elektrisches Signal um — und zwar, wie gesagt, so, dass immer beim Wechsel der Lichtstärke eine »Eins« entsteht.

 

Um das Auslöschen des Lichts am Pit durch Interferenz zu erreichen, ist das kohärente Laserlicht zwingend erforderlich. Zudem haben Laserdioden einen sehr hohen Wirkungsgrad — dies bedeutet, dass sie auch dann nicht übermäßig viel Wärme produzieren, wenn sie 74 Minuten lang ununterbrochen laufen müssen.

 

Trotz ihres Erfolgs stellt die CD-ROM nicht alle Wünsche zufrieden, denn für viele Anwendungen (wie beispielsweise Videofilme) reicht ihre Kapazität doch nicht aus. Entstanden ist aus den Bemühungen nach immer größerem Fassungsvermögen schließlich die Digital Versatile Disk (DVD) mit einem Speicherplatz von bis zu 17 Gigabyte, 27-mal so viel wie auf einer CD-ROM, und das bei gleichem Scheibendurchmesser! Wodurch wird dies erreicht?

 

Zum einen kann die Informationsdichte dadurch erhöht werden, dass die Spur schmaler und damit länger wird. Das ist aber nur möglich, wenn der abtastende Laser eine kürzere Wellenlänge hat und damit kleiner fokussiert werden kann. Aus diesem Grund bemühen sich viele Forschergruppen darum, »blaue« Laserdioden herzustellen. Derzeit sind diese Dioden noch nicht als Massenartikel und mit genügend langer Lebensdauer herstellbar, sodass man sich bei der DVD zunächst mit einer Verkürzung der Wellenlänge auf 640 Nanometer begnügt. Dadurch steigt das Speichervermögen schon auf 4,7 Gigabyte. Noch weiter steigern lässt es sich, indem zwei Datenspuren in verschiedenen Tiefen angelegt werden und zum Abtasten zwei Laser verwendet werden, deren Brennpunkte der Tiefe jeweils einer der Spuren entsprechen. Und werden dann noch zwei solcher Halbdisks aneinander klebt, entsteht eine DVD mit vier Spuren und eben 17 Gigabyte Speicherplatz — genug, um darauf komplette Spielfilme aufzunehmen.

 

 Laserdrucker

 

Nicht nur im CD-Player, sondern auch an anderen Stellen sind inzwischen in vielen Unternehmen und Haushalten Laser zu finden — beispielsweise in Laserdruckern.

 

Laserdrucker funktionieren ähnlich wie Fotokopierer. Herzstück in beiden Geräten ist eine lichtempfindliche Bildtrommel, die zunächst elektrostatisch negativ aufgeladen ist. Der ebenfalls negativ geladene, im Allgemeinen schwarze Toner kann jedoch nur an elektrisch neutralen Orten haften. Man kann also ein Entladungsmuster auf der Trommel in ein Tonermuster überführen, welches dann wie von einer Druckplatte auf Papier übertragen werden kann. Um nun eine Entladung an einer bestimmten Stelle der Trommel hervorzurufen, wird ein Laserstrahl auf diese Stelle fokussiert. Hierzu werden — wieder einmal — Infrarot-Laserdioden benutzt. Abgelenkt durch einen rotierenden Polygonspiegel streicht der Laserfokus eine Zeile auf der Trommel nach der anderen ab, während diese sich unter ihm dreht. Dabei werden pro DIN-A4-Seite bei einer Auflösung von 300 × 300 dpi insgesamt etwa acht Millionen Punkte angesteuert und je nach Intensität des Lasers entweder entladen oder negativ belassen.

 

Im nächsten Schritt wird der Toner aufgetragen; er bleibt dabei nur an den entladenen Stellen haften, von den übrigen Stellen wird er abgestoßen. Wird dann das — zuvor positiv aufgeladene — Papier auf der Trommel abgerollt, so »saugt« es sich dabei durch die elektrostatische Anziehung den Toner gleichsam von der Trommel. Damit der Toner auf dem Papier fixiert wird, muss dieses schließlich noch über eine erhitzte Walze geführt werden; dies ist auch der Grund dafür, dass frisch kopiertes Papier so heiß ist. Druck und Wärme sorgen dafür, dass die Tonerpartikel schmelzen und sich mit dem Papier dauerhaft verbinden.

 

Da vor allem die Ablenkeinheit für den Laser vergleichsweise aufwendig herzustellen ist und von den Lasereigenschaften nur die gute Fokussierbarkeit genutzt wird — im Wesentlichen, um eine hohe Auflösung zu erzielen —, gibt es als Alternative auch Leuchtdioden-Drucker. In diesen Druckern wird die sich drehende Bildtrommel durch eine starre Zeile von etwa 2500 Leuchtdioden zeilenweise statt punktweise entladen beziehungsweise beschrieben.

 

 Laserdisplaytechnik

 

Farbbrillianz und nahezu uneingeschränkte Projektionsmöglichkeiten sind die Trümpfe der neuartigen Laserdisplaytechnik, auch Laser-TV genannt. Während einerseits die Übertragungs- und Speichermöglichkeiten für digitale Daten so leistungsfähig geworden sind, dass inzwischen — wie beschrieben — auch Spielfilme im CD-Format gespeichert werden können, stößt die herkömmliche Projektionstechnik an ihre Grenzen. Weder mit einer braunschen Röhre, wie in heutigen Fernsehgeräten, noch mit Flüssigkristallanzeigen (LCD), die wie Dias durchleuchtet werden, lassen sich Bilder mit befriedigender Größe, Auflösung, Farbbrillianz und Kontrast darstellen. Für Kinos, Konferenzräume oder auch zu Werbezwecken, so etwa auf Messen, wünscht man sich großflächige Displays, die zum einen in der Bildgröße frei skalierbar, andererseits auch möglichst scharf und vor allem ausreichend hell sein sollten.

 

Genau dies soll durch das Laser-TV erfüllt werden. Das Grundprinzip ist dabei Folgendes: Ein roter (R), ein grüner (G) und ein blauer (B) Strahl werden von je einem Laser emittiert und dann gemeinsam als RGB-Laserstrahl in eine Lichtleitfaser eingekoppelt. Je nach Farbe und Helligkeit des darzustellenden Bildpunkts wird die relative Stärke der drei Teilstrahlen variiert. Die Menge der Farben, die dabei dargestellt werden kann, ist weitaus größer als die, die mit herkömmlichen Farbfernsehern erreicht werden kann.

 

Die zweite wichtige Komponente des Laser-TV ist die Ablenkeinheit, die aus einem Polygon- und einem Galvanometerspiegel besteht und den Strahl zeilenweise über die Projektionsfläche streichen lässt. Weil der RGB-Strahl als Laserstrahl stark kollimiert ist, also nur eine sehr geringe Divergenz (Strahlaufweitung) aufweist, ist das so erzeugte Bild in jeder Entfernung scharf. Der Bediener muss das Bild also nicht mehr wie bei einem Diaprojektor scharfstellen, sondern braucht nur noch über eine Zoom-Optik den Ablenkwinkel und damit die Bildgröße festzulegen. Außerdem werden die Bilder auch auf gekrümmten Oberflächen scharf dargestellt.

 

Ein derartiges Projektionssystem stellt ganz spezielle Anforderungen an die dabei verwendeten Laser. Zum einen sollen sie möglichst lange und mit einem hohen Wirkungsgrad arbeiten, um einen zu hohen Stromverbrauch und eine unhandliche Wasserkühlung zu vermeiden. Zum anderen müssen sie sehr stabil laufen, denn Schwankungen in ihrer Intensität würden sowohl die Farbtöne verzerren als auch die Helligkeit beeinträchtigen. Darüber hinaus muss die Kohärenzlänge des Lasers in diesem Fall extrem kurz sein, denn sonst würde der Strahl mit sich selbst interferieren und ein glitzerndes Speckle-Muster auf der Projektionsfläche hervorrufen. Dies kann man durch Verwendung ultrakurzer Laserpulse erreichen, die wegen ihres relativ breiten Frequenzspektrums nur eine sehr kurze Kohärenzlänge haben und dadurch keine Speckle-Muster zeigen. Zusätzlich haben sie auch noch eine weitere Eigenschaft, die sie für das Laser-TV interessant macht: Aufgrund der hohen Intensitäten der Pulse werden Wellenmischprozesse, durch die zusätzliche Farben erzeugt werden können, sehr effizient.

 

Bislang realisierte Systeme haben noch die Ausmaße eines Kleinwagens und einen großen Energieverbrauch. Dennoch lohnt sich ein Blick auf ein Modellsystem, das von der Firma LDT GmbH in Gera entwickelt wurde.

 

Laserdioden regen dabei einen Neodym-Vanadat-Laser dazu an, infrarote Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1064 Nanometern zu emittieren. Diese wird zunächst in einem optisch parametrischen Oszillator (OPO) teilweise in Strahlung mit einer Wellenlänge von 1535 Nanometern umgewandelt. Durch Summenfrequenzmischung (SFM) entsteht aus diesen beiden Wellenlängen sichtbares rotes Licht mit 629 Nanometern. Wird diese Wellenlänge mit der 1535-Nanometer-Komponente gemischt, so ergibt sich blaues Licht mit 446 Nanometern. Schließlich erhält man grünes Licht mit 532 Nanometern durch Frequenzverdopplung aus der ursprünglichen 1064-Nanometer-Strahlung — eine Frequenzverdopplung entspricht ja einer Wellenlängenhalbierung. Bei diesem Verfahren haben die drei erzeugten Strahlen gerade eine solche Intensität, dass ihre Überlagerung weißes Licht mit einer Gesamtleistung von 19 Watt ergibt, genug für eine Projektionsfläche von zehn Quadratmetern. Das Ziel der derzeitigen Forschung ist, das gesamte System so weit zu miniaturisieren, dass es in einen Kasten von der Größe einer Pralinenschachtel hineinpasst und als Projektionssystem für Heimkino, Computermonitore oder andere Multimediaanwendungen eingesetzt werden kann.

 

 Volumenhologramme und »Optical Computing«

 

Alle heutigen Rechner basieren auf elektronischen Schaltkreisen, die in den letzten Jahrzehnten auf immer kleinerem Raum konzentriert wurden. Elektronische Schaltkreise lassen sich jedoch nicht unbegrenzt verkleinern, weil sich überkreuzende oder eng benachbarte Leitungen gegenseitig stören. Andererseits lassen sich elektronisch sehr leicht logische Schaltungen herstellen. Genau umgekehrt verhält sich dies bei Licht: Da sich einzelne Lichtstrahlen unbeeinflusst durchdringen können, kann fast beliebig viel Information gleichzeitig auf derselben Leitung übertragen werden; gäbe es optische Mikroprozessoren, könnten diese entsprechend eine große Zahl von Lichtsignalen gleichzeitig bearbeiten. Diese Datenverarbeitung von optischen anstelle von elektronischen Signalen wird, in Anlehnung an den Begriff Elektronik, Photonik genannt.

 

Bereits eine simple optische Linse kann simultan Millionen »Datenpunkte« eines Gegenstands übertragen und als Bild auf einem Schirm darstellen. Ein echtes, programmgesteuertes Rechnen mit Licht wird aber erst dann möglich, wenn Lichtstrahlen in nicht linearen optischen Kristallen an bestimmten Punkten gezielt miteinander in Kontakt treten können. Dort würden sich gegenseitig beeinflussen und steuern, so wie es die Elektronen in den Dioden und Transistoren elektronischer Computer tun. Ein auf Photonik statt Elektronik basierender Computer würde, wie gesagt, eine große Zahl von Lichtstrahlen gleichzeitig prozessieren. Daher müsste er eine neuartige Architektur erhalten, in der die Verbindungen ein größeres Gewicht gegenüber den logischen Schaltungen bekämen. Damit käme er dem Aufbau des menschlichen Gehirns näher und könnte vor allem Aufgaben der Bildverarbeitung und Mustererkennung leichter vollführen als herkömmliche Computer.

 

In der Tat hat es in den letzten Jahren gewaltige Forschungsanstrengungen auf diesem Gebiet gegeben, und es zeichnet sich ab, dass eine bestimmte Materialklasse dieses Feld beherrschen wird: Die photorefraktiven Kristalle, wie zum Beispiel Lithiumniobat oder Bariumtitanat. Diese haben die Eigenschaft, je nach Intensität des sie beleuchtenden Lichts lokal ihre Struktur und damit ihren optischen Brechungsindex zu verändern. Dies gilt zwar nur für kohärentes Laserlicht, dafür aber tritt der Effekt schon bei äußerst geringen Leistungen im Mikrowattbereich auf.

 

Da sich der lokale Brechungsindex an einem Punkt im Kristall entsprechend der dort einfallenden Lichtintensität ändert, können mit einer dreidimensional variabel eingestrahlten Lichtverteilung ganze Bilder oder sogar Bildserien auf einen Kristall übertragen und dort als Volumenhologramme gespeichert werden. Auslesen kann man diese Volumenhologramme, indem man sie mit einem Referenzlaser der gleichen Wellenlänge beleuchtet, wobei sie aus ihm durch Beugungseffekte die ursprünglich eingestrahlte Lichtverteilung aufprägen — genau wie bei den bereits beschriebenen klassischen Hologrammen. Und gelöscht wird ein Volumenhologramm einfach durch einen genügend hellen Lichtstrahl, der die Brechungsindexveränderungen wieder rückgängig macht. Eine weitere Besonderheit von Volumenhologrammen liegt in ihrer extremen Empfindlichkeit gegenüber dem Winkel, unter dem sie geschrieben und gelesen werden. Diese Richtungsempfindlichkeit macht es möglich, durch Veränderung des Winkels um nur Bruchteile eines Grads an ein und derselben Stelle im Kristall eine Vielzahl von Hologrammen gleichzeitig zu speichern. In einem Kristall von der Größe eines Zuckerwürfels könnten so etwa 100 000 hoch auflösende Bildseiten gleichzeitig gespeichert werden, die zudem buchstäblich »wie der Blitz« ausgelesen werden können.

 

Photorefraktive Kristalle eignen sich nicht nur als Datenspeicher hervorragend. Sie können durch geschickte Wahl der Kristallorientierung und der Phase der eingestrahlten Laserstrahlen, wie inzwischen gezeigt wurde, sogar Aufgaben der digitalen Bildverarbeitung durchführen; sie sind also die erste Vorstufe optischer Rechner. Man kann mit ihnen beispielsweise die Summe oder die Differenz zweier Bilder in einem einzigen Rechenschritt bilden, ein Bild aufhellen oder seinen Kontrast verstärken. Auch die Erfüllung komplexerer Aufgaben, etwa mit einem Neuigkeitsfilter Bewegungen oder Abweichungen von einem Referenzobjekt zu detektieren, ist mittlerweile möglich. Eine denkbare Anwendung hierfür wäre die Erkennung von Fingerabdrücken oder gefälschten Kunstwerken.

 

Bei der Geschwindigkeit, mit der diese Entwicklungen voranschreiten, wäre es nicht verwunderlich, wenn in wenigen Jahren Licht nicht nur in Glasfasern Datenströme weltweit übertragen oder von optischen Speichermedien auslesen würde, sondern auch unmittelbar an der Verarbeitung dieser Daten mit einer Geschwindigkeit teilnehmen würde, die uns selbst heute, nach 50 Jahren Computerentwicklung, noch unvorstellbar erscheint.

 

Dr. Holger Lubatschowski; Dr. Beate Brase und Prof. Dr. Angelika Anders von Ahlften

 

Weiterführende Erläuterungen finden Sie auch unter:

 

Photonik und Mikrotechnik: Von der Videokamera bis zum Flachbildschirm

 

Literatur:

 

Bludau, Wolfgang: Lichtwellenleiter in Sensorik und optischer Nachrichtentechnik. Berlin u. a. 1998.

 

Dossier: Laser in neuen Anwendungen, bearbeitet von Dieter Beste u. a. Heidelberg 1998. (Sonderheft »Dossier 2/1998« der Zeitschrift »Spektrum der Wissenschaft«).

 Fouckhardt, Henning: Photonik. Eine Einführung in die integrierte Optoelektronik und technische Optik. Stuttgart 1994.

 Glaser, Wolfgang: Photonik für Ingenieure. Berlin 1997.

 Lühe, Friedrich: Optische Signalübertragung mit Lichtwellenleitern. Einführung in die physikalischen Grundlagen. Braunschweig u. a. 1993.

 Reider, Georg A.: Photonik. Eine Einführung in die Grundlagen. Wien u. a. 1997.

 Young, Matt: Optik, Laser, Wellenleiter. Aus dem Englischen. Berlin u. a. 1997.