T R E F F P U N K T FO R SC H U N G

[3] S. Müllegger et al., J. Chem. Phys. C 2012,116, 22587.

[4] S. Müllegger et al., J. Chem. Phys. C 2013,117, 5718.

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beachtliche 29 MHz ab. Eine Fünfer-kette schwingt also nurmehr mit98 MHz. Dies verdeutlicht die enor-me Massenempfindlichkeit derMolekülketten-Resonatoren.

Mit steigender Kettenlänge sinktdie Frequenz weiter ab und folgtdabei einem Verlauf gemäß L–b mitb = 1,3 (Abbildung 3). Dieses Verhal-ten liegt zwischen dem eines klassi-schen Balkenresonators (b = 2) unddem eines Systems diskreter gekop-pelter Schwinger (b = 1). Die überra-schend geringe Steifigkeit der Mole-külketten ist bisher noch nicht voll -ständig verstanden und bildet einzukünftiges Forschungsthema unse-rer Gruppe. Gleichzeitig wollen wirneue Anwendungsfelder für unsereMolekülketten-Resonatoren erschlie-ßen, um einzelne Atome und Molekü-le und die von ihnen verursachtenfundamentalen Kräfte messen zukönnen.

Literatur[1] S. Müllegger et al., Phys. Rev. Lett. 2014,

112, 117201. [2] S. W. Hla, Physics 2014, 7, 26.

KO M M U N I K AT I O N S T EC H N I K |100 Millionen Telefongespräche über einen Frequenzkamm

Optische Frequenzkämme ermöglichen die Übertragung von Daten mithoher Geschwindigkeit und gleichzeitig effizienter Nutzung des verfüg-baren Spektrums. Für die praktische Anwendung müssen allerdingsnoch einige technische Hürden überwunden werden. Unserer deutsch-schweizerischen Forschungsgruppe ist es gelungen, erste kohärenteDatenübertragungsexperimente mit sogenannten Kerr-Frequenzkäm-men zu demonstrieren. Die hierbei erzielte Übertragungsgeschwindig-keit von bis zu 1,44 Tbit/s entspricht – gängige Verfahren zur Sprach-kompression vorausgesetzt – dem Datenaufkommen von mehr als 100 Millionen Telefongesprächen [1].

Die Menge der weltweit erzeugtenDaten wächst stetig und führt insbe-sondere in großen Internetknotenund Rechenzentren zu Kommunika-tionsengpässen. Optische Übertra-gungsverfahren gelten in diesemZusammenhang als der vielverspre-

chendste Ansatz, große Mengen vonDaten schnell und energieeffizient zutransportieren. Dabei kommen soge -nannte Wellenlängen-Multiplexverfah-ren (Wavelength-Division Multiple-xing, WDM) zum Einsatz, bei denenDaten auf optische Träger unter-

schiedlicher Wellenlängen aufmodu-liert und durch eine einzelne Glas -faser übertragen werden.

Als optische Quellen eignen sichhierfür Frequenzkämme. Sie beste-hen aus einer Vielzahl diskreter undexakt äquidistanter Spektrallinien. Im

Stefan Müllegger, Reinhold Koch;Uni Linz

A B B . 2 F R EQ U E N Z M E S S U N G

Ein kommerzielles STM-System wurde so erweitert, dass derHochfrequenzanteil des Tunnelstroms ausgekoppelt werdenkann. Dies geschieht mithilfe spezieller Frequenzweichen(Bias-T) und Hochpassfilter (HP). Ein Frequenzanalysator (A)misst das Hochfrequenzsignal. Der herkömmliche Regelkreisdes STM besteht aus einem I/V-Konverter und -Verstärker, derSignalverarbeitungseinheit (DSP) und einem Tiefpassfilter(LP). Der Gleichstromanteil Idc des Tunnelstroms dient dazu,den Tunnelabstand z zwischen Spitze und Probe konstant zuhalten.

A B B . 3 L Ä N G E N A B H Ä N G I G K E I T

Längenabhängigkeit der Schwingungs-frequenz für Molekülketten aus vier bissieben Molekülen.

Abb. 1 ElektronenmikroskopischeAufnahme eines Siliziumnitrid-Mikro -resonators hoher Güte.

T R E F F P U N K T FO R SC H U N G

Vergleich zu konventionellen Über-tragungssystemen, die einzelne Laser -dioden für die verschiedenen Kanäleverwenden, haben optische Fre-quenzkämme den entscheidendenVorteil, dass sich mit einem einzigenBauteil eine große Zahl von Übertra-gungskanälen realisieren lässt. Zu-dem ist der Frequenzabstand derKammlinien fest vorgegeben, so dassauf zusätzliche Sicherheitsabständeim Spektrum verzichtet werdenkann.

Trotz dieser Vorteile wurden opti -sche Frequenzkämme in der Daten-übertragung bislang noch nicht ein -gesetzt. Dazu sind die heute verfüg-baren Quellen entweder zu groß undzu teuer, oder aber sie weisen nichtdie für die Telekommunikation not -wendigen Linienabstände und Band-breiten auf. Diese Nachteile lassensich durch neuartige Ansätze über-winden, die sogenannte Kerr-Nicht -linearitäten in Mikroresonatorenhoher Güte zur Frequenzkammer -zeugung ausnutzen. Solche Mikro -resonatoren können platzsparend

und kostengünstig in großen Stück-zahlen auf Halbleiterchips integriertwerden (Abbildung 1).

Das Prinzip dieser Form der Fre -quenzkammerzeugung illustriertAbbildung 2a: Ein starker Dauer-strich-Pumplaser wird sehr präziseauf die Resonanzwellenlänge desMikroresonators abgestimmt, so dasses im Innern des Resonators zu einerstarken Feldüberhöhung kommt.Aufgrund von Kerr-Nichtlinearitätentreten ab einer bestimmten Schwel-lenleistung Modulationsinstabilitätenauf, die zur Ausbildung von neuenSpektrallinien in umliegenden Reso-nanzen führen. Die Wechselwirkungzwischen diesen Spektrallinien wer -den durch entartetes und nicht-ent -artetes Vierwellenmischen bestimmt(Energiediagramme (1) und (2) inAbbildung 2a). Diese Prozesse füh renbei passender Einstellung der Pump-parameter zur Ausbildung einesFrequenzkammes aus phasengekop-pelten Spektrallinien [2]. Der Linien-abstand entspricht dabei dem Kehr-wert der Umlaufzeit des Lichts imMikroresonator und kann passend zuden in der Telekommunikation ver -wendeten Kanalrastern von 25 GHz,50 GHz oder 100 GHz gewähltwerden.

Bei passender Einstellung desPumplasers weisen die einzelnen

Kammlinien ein sehr geringes Pha-senrauschen auf und erfüllen damiteine entscheidende Voraussetzungfür die Datenübertragung mit höhe-ren Modulationsformaten, bei denendie Information sowohl in der Ampli-tude als auch in der Phase des opti-schen Trägers kodiert wird. Umausgedehnte Datenübertragungs -experimente zu ermöglichen, kannder Kamm mit einer Regelschleifeauf einen Zustand mit geringem Pha -senrauschen stabilisiert werden [1].Das optische Spektrum eines miteinem Kerr-Kamm erzeugten Daten-signals (Abbildung 2b) umfasst 20 Wellenlängenkanäle im Abstandvon 25 GHz. Auf diese Weise ließsich eine Gesamtdatenrate von1,44 Tbit/s über hunderte vonKilometern übertragen [1].

Zukünftig könnten diese Bauteilezur Kernkomponente von miniaturi-sierten Terabit-Sendermodulen wer -den – ein entsprechendes Konzeptskizziert Abbildung 3. Die Kerr-Frequenzkammquelle besteht hierbeiaus einem effizienten Halbleiterlaserund einem Mikroresonator ausSiliziumnitrid (SiN), der eine hoheGüte und starke Kerr-Nichtlinearitä-ten aufweist. Für den Senderchipbieten sich nanophotonische Schalt-kreise auf Siliziumsubstraten an. DieSiliziumphotonik weist neben einer

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a) Prinzip der Kerr-Frequenzkammerzeugung in einemMikroresonator durch entartetes und nicht-entartetesVierwellenmischen (siehe Energiediagramme (1) und (2)). Bei passender Einstellung der Pumpparameter entsteht durchKaskadierung dieser Prozesse ein Frequenzkamm mit phasen-gekoppelten Spektrallinien. Der Linienabstand entsprichtdabei dem Kehrwert der Umlaufzeit des Lichts im Resonator.b) Optisches Spektrum eines WDM-Signals, das von einemKerr-Frequenzkamm abgeleitet wurde. Es besteht aus 20 Wellenlängenkanälen im Abstand von 25 GHz bei einerDatenrate von 1,44 Tbit/s.

DEMUXModulator

MUX

Pumplaser

Nichtlinearer SiN-Mikroresonator

Silizium-PhotonikSenderchip

PhotonischerWirebond

A B B . 3 M I N I AT U R I S I E R T E S S E N D E R M O D U L

Konzept eines miniaturisierten Sendermoduls für die Terabit-Kommunikation. DieKernkomponente ist eine Kerr-Frequenzkammquelle, die aus einem Dauerstrich-Pumplaser und einem optisch nichtlinearen Siliziumnitrid-Mikroresonator besteht.Die Kammlinien werden auf einem Senderchip mit Hilfe eines integriert-optischenDemultiplexers (DEMUX) aufgetrennt, einzeln mit Daten moduliert und anschlie-ßend mit einem Multiplexer (MUX) zusammengeführt. Photonische Wirebondsverbinden die Frequenzkammquelle mit dem Senderchip und der zur Übertragungverwendeten Glasfaser.

T R E F F P U N K T FO R SC H U N G

durch Zweiphotonen-Polymerisationin einem Photoresist herstellenlassen [3].

Derartige Sendermodule könneninsbesondere die Kommunikationzwischen und innerhalb von Daten-zentren revolutionieren. Die bisherverwendeten 20 Linien bilden erstden Anfang der Forschung auf die-sem Gebiet. Mit breitbandigerenKerr-Frequenzkämmen lässt sich dieÜbertragungskapazität noch einmal

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um ein bis zwei Größenordnungensteigern.

Literatur[1] J. Pfeifle et al., Nature Photon. 2014, 8,

375.[2] T. Herr et al., Nature Photon. 2012, 6, 480.[3] N. Lindenmann et al., Opt. Express 2012,

20, 17667.

Christian Koos, Jörg Pfeifle, KITKarlsruhe; Tobias Kippenberg, EPFL,

Lausanne

hohen Integrationsdichte den weite-ren Vorteil auf, dass photonischeBauteile mit mikroelektronischenSchaltungen kombiniert und durchhochentwickelte Verfahren derCMOS-Halbleiterfertigung kosten -günstig und zuverlässig hergestelltwerden können. Die Frequenzkamm-quelle und der Senderchip sowie dieFaser zur Übertragung der Signale,werden mit sogenannten photoni-schen Wirebonds verbunden, die sich

ATO M PH YS I K |Antimaterie im freien FallNach dem schwachen Äquivalenzprinzip müssen sämtliche massebe-hafteten Objekte unabhängig von ihren sonstigen Eigenschaften diesel-be Fallbeschleunigung besitzen. Dieses Prinzip, das die Grundlage derAllgemeinen Relativitätstheorie bildet, gilt auch für Antimaterie. Fürunterschiedliche Elemente wurde das Äquivalenzprinzip mit sehr hoherGenauigkeit bestätigt. Nun bietet sich zum ersten Mal die Möglichkeit,diese Theorie für neutrale Antimaterie direkt zu testen. Eine kürzlicherschienene Veröffentlichung [1] beschreibt einen speziellen experimen-tellen Aufbau, mit dem sich die Fallbeschleunigung von Antiwasserstoff-Atomen interferometrisch vermessen lässt.

Es gibt eine Reihe von Gedanken -experimenten und indirekten Beob-achtungen, die dafür sprechen, dassMaterie und Antimaterie in einemGravitationsfeld gleich schnell fallen.Doch letztlich muss das direkteExperiment entscheiden. Warum istes aber so schwer, ein Stück Antima-terie zu nehmen und fallen zu lassen?Antimaterie, etwa in Form von Posi -tronen, ist nicht einmal besondersschwer zu produzieren. Allerdingssind diese Teilchen elektrisch gela-den und reagieren daher extremempfindlich auf elektrische Felder.Schon ein elektrisches Feld von 0,1 nV/m würde in etwa dieselbeKraft erzeugen wie die Gravitation.

Erst seit einigen Jahren kann manneutrale Antimaterie (Antiwasser-stoff) herstellen [2] und auch überlange Zeiträume in magnetischenFallen fangen [3, 4]. Dies ist eineVoraussetzung, um diese Materieformkontrolliert zu untersuchen. Gefan-

gen werden die Antiteilchen in einerMagnetfeldfalle, um Kontakt mit nor -maler Materie und folgender Annihi-lation zu vermeiden (Abbildung 1).

Diese Falle hat die Form einerlänglichen Flasche, an deren Wändenacht elektrische Ströme in supralei-tenden Drähten abwechselnd gegen-sinnig fließen. So entsteht ein mag-netischer Oktupol. Im Inneren derFlasche heben sich die Magnetfelderdieser Ströme weitgehend auf. Nähertsich ein Atom der Wand, dann „spürt“es ein starkes Magnetfeld von bis zuetwa 1 Tesla, das die Energie desAtoms steigen lässt. So entsteht einabstoßendes Potential, welches dasAtom wieder ins Innere der Fallelenkt. Auf diese Weise ließen sichAntiwasserstoff-Atome bis zu 15 Minuten lang speichern.

Die ALPHA-Kollaboration amCERN (Antihydrogen Laser PhysicsApparatus) schaltete die Magnetfallewährend des Speichervorgangs ab, so

dass nur noch die Schwerkraft auf dieAntiatome wirkte, bis diese schließ-lich an der Wand der Vakuumkammerannihilierten. Dabei entstanden proAntiatom drei detektierbare Pionen,mit deren Hilfe man auf Ort undZeitpunkt der Annihilation schlie ßenkonnte. Auf diese Weise lassen sichim Prinzip Richtung und Beschleuni-gung des frei fallenden Antiwasser-stoffs bestimmen. Allerdings sorgtenunterschiedliche Effekte dafür, dasssich für die Fallbeschleunigung nureine obere und untere Schranke von+110 g und –65 g ange ben ließ,wobei g die Fallbeschleunigungnormaler Materie von etwa 9,8 m/s2

ist [5]. Mit technischen Än derungenließe sich die Genauigkeit bis aufetwa 1 % erhöhen. Die Messung derFallbeschleunigung von Anti materiewird nicht nur von ALPHA, sondernauch mit anderen experimentellenAufbauten bei den Kolla borationenAEgIS und gbar versucht.

Antiprotonen

Positronen

Oktupol

Spiegelspulen

Annihilations-detektor Elektroden

Y

Z

Xφ

A B B . 1 A L PH A

Die Antiwasserstoff-Falle im Experiment ALPHA.