Langsames Licht ist die Reduktion der Gruppengeschwindigkeit eines Pulses in einem dispersiven Medium. Bei aktuellen Experimenten konnten Gruppengeschwindigkeiten von bis zu 17 m/s demonstriert werden.

 

Optische Signalverarbeitung hat das Potential Datenkommunikationssysteme zu revolutionieren. Kosten und Leistungsaufnahme von derzeit benötigten  elektronischen Zwischenelementen könnten vollständig wegfallen und somit Signalkapazität und Bandbreite eines vollständig optischen arbeitenden Netzwerkes erheblich verbessern. Das Schlüsselelement eines solchen Netzwerkes ist eine Komponente, die eine durchstimmbare Verzögerung von optischen Pulsen möglich macht und somit eine effektive Pufferung von Datenpaketen erlaubt. Als Beispiel kann ein optischer Router für Datenpakete angenommen werden, der eine beliebige Anzahl von eingehenden Verbindungen auf einen bestimmten Ausgang schaltet. Da ein solcher Router immer nur ein einziges Paket verarbeiten kann entsteht eine Kollision wenn zwei Pakete gleichzeitig eintreffen (packet contention). Ein vorgeschaltetes Verzögerungselement zur Pufferung eines Pakets löst dieses Problem indem es eintreffende Pakete entsprechend zurückhält. Heutige Systeme konvertieren optische Signale zurück in elektrische, die anschließend in konventionellem DRAM zwischengespeichert werden. Bisher entwickelte, rein optische Komponenten, wie beispielsweise Faserverzögerungsstrecken, konnten sich nicht durchsetzen, da sie bedingt nur durchstimmbar sind und lediglich eine eingeschränkte Kontrolle der gewünschten Verzögerung zulassen.

Langsames oder sogar gestopptes Licht könnte vor allem in diesem Bereich der Informationsverarbeitung Verwendung finden, wobei der Verlangsamungsrekord bei heutigen Bitraten für Glasfasernetze bei etwa 8 Pulsbreiten liegt [cite]. Wünschenswert wäre allerdings eine Pufferung von einigen Millionen Bytes. Die grundlegende Problematik ist das Verzögerungs-Bandbreiten-Produkt (delay-bandwidth product): Je kürzer ein Puls, desto breiter sein Spektrum. Folgerichtig muss der Effekt, der langsames Licht erzeugt über einen sehr großen spektralen Bereich anwendbar sein. Physikalische Systeme  in denen Langsames Licht beobachtbar ist, sind jedoch unfairerweise sehr schmalbandig und es müssen Lösungen gefunden werden, die sowohl das Zerlaufen des Pulses verhindern und die benötigte Bandbreite für heutige Übertragungsgeschwindigkeiten bereitstellen. Eine zentrale Fragestellung aktueller Experimente ist die maximale Modulationsbandbreite zu finden, bei der ein Signal den optimalen Verlangsamungseffekt ausnutzt.

 

Optisch resonante Systeme, wie z.B. Fabry-Perot Resonatoren oder Filter aus dielektrischen Schichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes, erzeugen an einem oder mehreren Punkten im Spektrum eine Veränderung  der Absorptions- oder der Transmissionseigenschaften. Jede spektrale Änderung der Absorption hat zugleich auch eine Änderung des Brechungsindexes zur Folge, die durch die Kramers-Kronig-Beziehung verknüpft ist.

 

In Abbildung 2 ist der Zusammenhang zwischen Absorption, Brechungsindex und Gruppenbrechungsindex an der Stelle einer Resonanz dargestellt.  Die rechte Spalte ist repräsentativ für ein atomares Zwei-Niveau-System in dem es bei passender Anregungsfrequenz zu Anregung in einen höheren Energiezustand kommt. Betrachtet man die Situation einer Absorptionserhöhung (rechte Spalte in Abbildung 2), so besitzt die die Dispersionskurve auf beiden Seiten der Zentralfrequenz eine positive Steigung bzw. normale Dispersion, was folglich in einer Erhöhung des Gruppenindex resultiert. Ein frequenzangepasster Puls, der spektral nicht zu breit und somit zeitlich nicht zu kurz wäre, würde langsamer propagieren als ein Referenzpuls in einem resonanzfreien Spektrum. Man würde langsames Licht beobachten.  

 

Die bisher beeindruckenste Veränderung der Gruppengeschwindigkeit wurde in einem quantenmechanischen System mit sogenannter Elektromagentisch Induzierter Transparenz (EIT) demonstriert. Diese Technik erlaubt es ein Medium an bei einer Frequenz transparent zu machen und gleichzeitig eine starke Dispersion zu erzeugen. Das bekannteste Experiment wurde 1999 in der Gruppe von Harris in Stanford durchgeführt [cite]. In einem Bose-Einstein Kondensat aus Natriumatomen, die auf eine Temperatur von 435 nK abgekühlt wurden, konnten Pulse mit einer Gruppengeschwindigkeit von 17 m/s nachgewiesen werden. Das ist gerade einmal die Geschwindigkeit eines guten Fahrradfahrers. Die grundlegende Idee war es, die Absorption durch einen kohärenten optischen Effekt zu reduzieren und gleichzeitig die dispersiven Eigenschaften zu erhalten. In einem atomaren System mit drei Zuständen kann durch Quanteninterferenz diese Situation hergestellt werden.

 

Viele optische Filter sind passive, lineare, resonante Strukturen, in denen sich alle physikalischen Eigenschaften von optischen Verzögerungselementen wiederfinden lassen.  Meist werden photonische Strukturen betrachtet, die durch Vielfachreflektionen das optische Signal effektiv einfangen und Photonen speichern können. Das Verhalten ist somit sehr ähnlich zu einem Laserresonator. Große Verzögerungen können erreicht werden wenn die optische Weglänge maximiert wird, die ein Signal bei der Propagation zurücklegt.

 

 

In der Abbildung ist das Dispersionsverhalten aufgetragen. An den Bandkanten befinden sich  zwei Bereiche an denen die Dispersion normal ist und im Bereich verbotener Propagation ist sie anomal. Dem entsprechend lassen sich auch in der spektralen Abhängigkeit der Gruppengeschwindigkeit langsames und schnelles Licht wiederfinden. Auch hier besteht die generelle Problematik, dass die Dämpfung des Signals zunimmt je näher man sich der maximalen Verzögerung an der Bandkante nähert.