Optischer Transistor

Begriff und Bedeutung

Ein optischer Transistor ist ein rein optisches Bauelement, das als optischer Schalter arbeitet und optische Signale schaltet oder verstärkt. Das am Eingang eintreffende Licht verändert die Intensität des am Ausgang ausgesendeten Lichts. Die dafür benötigte Ausgangsleistung stammt aus einer zusätzlichen optischen Quelle. Ist das Eingangssignal schwächer als diese Quelle, kann der Transistor das optische Signal verstärken.

Der optische Transistor ist das optische Gegenstück zu elektronischen Transistoren und Fototransistoren. Er darf jedoch nicht mit diesen elektronischen Halbleiterbauelementen verwechselt werden. Seine besondere Bedeutung liegt darin, dass er die Steuerung von Licht ausschließlich durch Licht ermöglicht. Das kürzeste nachgewiesene rein optische Schaltsignal dauert 0,9 fs. Die Einheit Femtosekunde, abgekürzt fs, entspricht 10^{−15} s.

Grundlegende Funktionsweise

Unter normalen Bedingungen wechselwirken Photonen, also Lichtteilchen, kaum oder gar nicht miteinander. Für einen optischen Transistor ist eine solche Wechselwirkung jedoch notwendig. Deshalb muss ein Medium geschaffen werden, das äußerst empfindlich auf kleinste Lichtmengen reagiert.

Im Idealfall lässt sich das Medium bereits durch ein einzelnes Photon umschalten: Ein weiteres Photon soll dadurch entweder transmittiert, also durchgelassen, oder absorbiert, also aufgenommen, werden. Auf diese Weise kann ein sehr schwaches optisches Eingangssignal den Durchlass eines anderen Lichtsignals steuern.

Realisierung mit einem Atom und EIT

Ein Team um Gerhard Rempe von der Abteilung Quantendynamik am Max-Planck-Institut für Quantenoptik zeigte 2010, dass sich die optische Transparenz einzelner Atome, die in einem Mikroresonator gefangen sind, durch Laserpulse kontrollieren lässt. Ein Mikroresonator ist hier eine Anordnung, in der Licht und ein einzelnes Atom gezielt miteinander wechselwirken. Das Ergebnis gilt als wichtiger Schritt bei der Entwicklung von Werkzeugen für die Quanteninformationsverarbeitung. Zugleich verbessert es das Verständnis dafür, wie Licht das Quantenverhalten einzelner Atome steuern kann.

Der Versuch nutzt die elektromagnetisch induzierte Transparenz, kurz EIT. Bei diesem Effekt wird die Wechselwirkung zwischen einem schwachen Laserfeld und einem atomaren Medium durch ein zweites Laserfeld kohärent, also in einer abgestimmten Weise, gesteuert und verändert. Dazu beleuchten zwei Laserstrahlen das Medium: ein schwacher Teststrahl und ein Kontroll-Laser.

Normalerweise führt die Anwesenheit eines Atoms dazu, dass Licht reflektiert wird und die Transmission, also der Anteil des durchgelassenen Lichts, sinkt. Wird das Atom zusätzlich senkrecht zur Achse des Resonators mit dem Kontroll-Laser beleuchtet und ist die EIT-Bedingung erfüllt, wird das Atom für den Teststrahl durchsichtig. Dadurch wird die maximale Transmission erreicht. Das einzelne Atom übernimmt somit die Funktion eines Transistors, weil es steuert, ob der Resonator Licht durchlässt oder nicht.

Anwendungen und Entwicklungsstand

Optische Transistoren könnten in optischen Computern und Glasfaser-Kommunikationsnetzen eingesetzt werden. Mit Stand Anfang 2024 sind sie allerdings nur in einzelnen Laborexperimenten realisiert und besitzen noch keine breite praktische Anwendung.

Als mögliche Anwendung wird eine Verbesserung der Leistung von Glasfaser-Kommunikationsnetzen genannt. Zwar werden Glasfaserkabel bereits in vielen Bereichen praktisch zur Datenübertragung genutzt, doch Aufgaben wie Signalweiterleitung und Signalverstärkung erfolgen weiterhin elektronisch. Dafür muss ein optisches Signal zunächst in ein elektronisches und anschließend wieder in ein optisches Signal umgewandelt werden. Diese optisch-elektronisch-optische Wandlung erzeugt Engpässe. Rein optische Transistoren könnten solche Aufgaben spekulativ unmittelbar mit Licht ausführen.