Optische Nanoantennen übertragen Licht drahtlos von Punkt zu Punkt

Wieso verbindet man die Mobilfunkmasten untereinander nicht mit Kabeln? Grund dafür ist die Tatsache, dass Datenübertragung über weite Strecken bei Gigahertz-Frequenzen weniger Verluste bei Freistrahlübertragung über Antennen aufweist als in Koaxial-Kabelleitungen.

Der physikalische Grund liegt im exponentiellen Abfallen der Leistung in einem Kabel, während eine Richtfunkstrecke durch die Luft nur mit einem Potenzgesetz (die Leistung sinkt mit dem Quadrat des Abstandes) abfällt.

Dieses Konzept haben jetzt Wissenschaftler vom 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart in enger Zusammenarbeit mit dem Max-Planck-Institut für Festkörperforschung und der Carl Zeiss AG in Oberkochen in den optischen Frequenzbereich übertragen. Sie demonstrieren erstmals die Datenübertragung über eine längere Strecke mit Licht, das zwei optische Nanoantennen verbindet.

Das ganze funktioniert bis zu Distanzen von einigen 10 Mikrometern. Indem die Phasen eines ganzen Antennenfeldes einjustiert werden, gelingt ihnen sogar eine Steuerung des Abstrahlwinkels, ganz analog zu einem phasengesteuerten Radar in einer Flugzeugnase.

Dazu entwickelten die Forscher ein besonderes Abbildungsverfahren, das auf photolumineszierenden Farbstoffen, die die Antennen überdecken, beruht. Durch ein Mikroskop kann die ganze Anordnung sehr elegant abgebildet werden. Zur Richtungssteuerung wurde der Phasenverlauf der Wellenfront unter einem Mikroskopobjektiv ausgenutzt.

Das Konzept könnte helfen, in Zukunft Datenverbindungen, die auf optischen Signalen basieren, schneller von Punkt zu Punkt zu übertragen und diese Verbindungen auch umzuschalten, indem man die Antennen in andere Richtungen abstrahlen läßt. Eine mögliche einstellbare Chip-zu-Chip Kommunikation auf zukünftigen Computerplatinen könnte dadurch ermöglicht werden.

Doktorand Daniel Dregely, der gerade von der Deutschen Gesellschaft für Angewandte Optik mit dem DGAO Nachwuchspreis 2014 für die beste Dissertation ausgezeichnet wurde, hat die Ergebnisse am 4. Physikalischen Institut der Universität Stuttgart unter der Leitung von Prof. Harald Giessen erzielt.

Am Projekt beteiligt waren auch Prof. Nader Engheta von der University of Pennsylvania, Postdoc Dr. Klas Lindfors vom MPI FKF (der gerade einen Ruf auf eine Juniorprofessur der Universität zu Köln angenommen hat) sowie Juniorprofessor Dr. Markus Lippitz vom MPI FKF (der gerade einen Ruf auf einen Lehrstuhl an die Universität Bayreuth angenommen hat).

Unterstützung bei der Lösung des Problems der Phasensteuerung kam von Dr. Michael Totzeck aus der zentralen Forschung der Carl Zeiss AG in Oberkochen, der ebenfalls Honorarprofessor an der Universität Konstanz ist.

Das Projekt wurde finanziell von der DFG, dem BMBF, der Baden-Württemberg-Stiftung, sowie einem ERC Advanced Grant der EU unterstützt.

Veröffentlichung in Nature Communications 
D. Dregely et al., Nature Communications 2014, doi: 10.1038/ncomms5354
“Imaging and steering an optical wireless nanoantenna link”

Kontakt:

Dr. Hans-Herwig Geyer, Universität Stuttgart, Leiter Hochschulkommunikation und Pressesprecher,
Tel. 0711/685-82555, E-Mail: hans-herwig.geyer [at] hkom.uni-stuttgart.de

Univ.-Prof. Harald Gießen, Universität Stuttgart, Physikalisches Institut, Tel. 0711/685-65111, E-Mail: harald.giessen [at] physik.uni-stuttgart.de