Optische Datenübertragung 30.06.2020, 10:54 Uhr

Gewellte Oberflächen für bessere Lichtkontrolle

Forschende der ETH Zürich haben ein Verfahren zur Herstellung von gewellten Oberflächen mit Nanometer-​Präzision entwickelt. Damit können in Zukunft optische Bauteile, die zur Datenübertragung im Internet verwendet werden, leistungsfähiger und kompakter werden.
Mit einer heissen Rastersonde hergestelltes Beugungsgitter. Die rote Linie zeigt das Oberflächenprofil des Gitters.
(Quelle: Nolan Lassaline/ETHZ)
Wie wichtig auf Licht basierende Technologien für unsere Gesellschaft sind, wurde in den letzten Wochen wieder deutlich. Dank des Internets können Millionen Menschen im Home Office arbeiten, in virtuelle Klassenräume eintreten oder mit Verwandten und Freunden sprechen. Das Internet wiederum verdankt seine Leistungsfähigkeit unzähligen Lichtpulsen, mit denen über Glasfasern enorme Datenmengen rund um den Globus verschickt werden.
Um diese Lichtpulse zu lenken und zu kontrollieren, kommen verschiedene Technologien zum Einsatz. Eine der ältesten und wichtigsten ist das Beugungsgitter, mit dem verschiedenfarbiges Licht in genau vorbestimmte Richtungen abgelenkt wird. Seit Jahrzehnten versuchen Wissenschaftler, das Design und die Herstellung von Beugungsgittern zu verbessern und die Gitter den anspruchsvollen Anwendungen von heute anzupassen.
An der ETH Zürich haben Forschende um David Norris, Professor am Departement Maschinenbau und Verfahrenstechnik, eine völlig neue Methode entwickelt, mit der effizientere und präzisere Beugungsgitter hergestellt werden können. Sie taten dies gemeinsam mit Kollegen, die jetzt an der Universität Utrecht arbeiten, und der Firma Heidelberg Instruments Nano, die als ETH-​Spin-off SwissLitho gegründet wurde. Ihre Ergebnisse veröffentlichten sie kürzlich in der Wissenschaftszeitschrift Nature.

Interferenz durch Rillen

Beugungsgitter beruhen auf dem Prinzip der Interferenz. Wenn eine Lichtwelle auf eine gerillte Oberfläche fällt, so wird sie in viele kleinere Wellen aufgeteilt, die jeweils von einer Rille ausgehen. Wenn diese Wellen die Oberfläche verlassen, können sie sich entweder gegenseitig verstärken oder auslöschen, je nach ihrer Ausbreitungsrichtung und Wellenlänge (die mit ihrer Farbe zusammenhängt). Dies erklärt, warum die Oberfläche einer mit weissem Licht beleuchteten CD, auf der Daten in feinen Rillen gespeichert sind, einen Regenbogen an reflektierten Farben erzeugt.
Damit ein Beugungsgitter richtig funktioniert, müssen seine Rillen einen ähnlichen Abstand haben wie die Wellenlänge des Lichts, also in etwa einen Mikrometer – hundertmal kleiner als ein menschliches Haar. «Traditionell werden diese Rillen mit Herstellungsmethoden der Mikroelektronik in die Materialoberfläche geätzt», sagt Nolan Lassaline, Doktorand in Norris’ Arbeitsgruppe und Erstautor der Studie. «Das bedeutet allerdings, dass die Rillen des Gitters treppenartig-​kantige Seitenwände haben. Andererseits sagt uns die Physik, dass die Rillen glatt und gewellt sein sollten wie die gekräuselte Wasseroberfläche eines Sees.» Mit traditionellen Verfahren hergestellte Rillen können daher nur eine grobe Näherung darstellen, was zur Folge hat, dass das Beugungsgitter Licht weniger effizient lenkt. Dank eines völlig neuen Ansatzes haben Norris und seine Mitarbeiter nun eine Lösung für dieses Problem gefunden.


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