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20.06.1980 - 

Transphasor- der "Licht-Transistor":

Dem optischen Computer einen Schritt näher

Daten auf optischem Weg statt in elektrischen Kabeln zu übertragen, ist eine Technik, die nun allmählich dem Laborstadium entwächst. Daten auf optischem Weg zu verarbeiten hingegen ist ein Konzept, das selbst nach Laborbegriffen erst in seinen frühesten Anfängen steckt. Doch das galt ja einst auch für Relais, Röhren, Transistoren und integrierte Schaltkreise.

Das Kernstück moderner digitaler Schaltungen ist im Grunde genommen immer noch der Transistor: ein elektrischer Baustein, bei dem elektrischer Strom dafür sorgt, daß ein anderer Strom fließt oder nicht. Ergo tüfteln Forscher in diversen Labors auch an Schaltelementen, bei denen - im Vergleich zu Strom weitaus schnellere - Lichtimpulse anderen Lichtstrahlen den Weg sperren oder freigeben: an Licht-Transistoren. Wenigstens zwei Teams, ein amerikanisches und ein britisches, sind diesem Ziel schon ein gutes Stück näher gekommen.

Erste Konzeptionen bistabiler optischer Elemente, also optischer Ein-/ Aus-Schalter, datieren jetzt zwar schon elf Jahre zurück, doch erst vor vier Jahren wurde "optische Bistabilität" erstmals verwirklicht: an den Bell Laboratories, USA. Dabei wurde der Effekt der "nonlinearen Brechung" genutzt, der bewirkt, daß in einem Medium mit schwankender Intensität eines Lichtstrahls dessen Wellenlänge wechselt. Zugleich unterliegen auch Brechungsindex und Lichtgeschwindigkeit gewissen Änderungen.

Eine bistabile Konfiguration muß man beeinflussen können, erst dann ist sie ein Schalter. Dazu kann ein Fabry-Perot-lnterferometer, ein optischer Resonator, eingesetzt werden berichtet Professor Desmond Smith vom oben erwähnten, an der Heriot-Watt-Universität, Edinburgh, arbeitenden britischen Forscherteam im Fachblatt "New Scientist". Dieser Resonator besteht aus einer oben und unten planparallel begrenzten dünnen Schicht und läßt alle Laser-Lichtwellen passieren, für die das Produkt aus dem Brechungsindex der Resonator-Schicht und ihrer Dicke ein ganzzahliges Vielfaches der halben Licht-Wellenlänge ergibt. Schon bei geringen Abweichungen von dieser kritischen Wellenlänge läßt der Transmissionsgrad dieses optischen Elements stark nach.

Schwächerer Laserstrahl genügt

Andersrum: Kombiniert man den obigen Effekt der Wellenlängen-Änderung infolge zunehmender oder abnehmender Lichtintensität mit den Eigenschaften des Fabry-Perot-Interferometers, so erhält man eine Konfiguration, die bei wechselnder Lichtintensität besonders scharf umschaltet: Von "Dunkel" (keine "Resonanz") auf "Hell" (Resonanzfall).

Bestimmte optische Zusatzeffekte sorgen nun datür, daß der Resonator wie eine plötzlich reagierende Druckpunkt-Taste spontan von "Aus" auf "Ein", von Lichtsperre auf Lichttransmission, umschaltet. Nicht nur das: Sobald der Ein-Zustand erreicht ist, genügt ein - gemessen an der Umschalt-lntensität - weit schwächerer Laserstrahl, um diesen Zustand festzuhalten. Die dem System eigene Hysterese sorgt dafür, daß erst unterhalb einer gewissen Laser-lntensität wieder auf Aus zurückgegangen wird. Das ganze erinnert also sehr an konventionelle Transistor-Speicherzellen.

Während die 1976er-Demonstrationen mit Natriumdampf als "nichtlinearem Medium" (in dem die Wellenlange wechselt, ändert man die Intensität) arbeiteten und etwas später auch erfolgreiche Versuche mit anderen Materialien durchgeführt wurden kamen erst Mitte 1979 die ersten transistorähnlichen Licht-Schalter ins Splel: einmal die Entwicklung der Bell Laboratories, USA, die mit vier Mikrometer dicken Galliumarsenid-Scheiben arbeitete, und zweitens die des britischen Teams, das mit einem 0,5 Millimeter dicken Indiumantimonid-Kristall Erfolg hatte. Beide Typen kommen mit sehr geringen Energien zum Speichern des jeweiligen Schalt-Zustands aus und beide reagieren auf recht kleine Intensitätsschwankungen. Als typische Schaltzeit für eines dieser neuen Elemente nennt Smith (unter Vorbehalt) eine Picosekunde das ist ein Millionstel einer Millionstel Sekunde. (Setzt man eine Picosekunde gleich einer Sekunde, so entspräche eine Sekunde fast

32 000 Jahren!)

Immun gegen Störimpulse

Doch noch immer ist nur von Transmission die Rede - wo bleibt der Schalter? Die Edinburgher Wissenschaftler lösten diese Aufgabe, indem sie einfach zwei Laserstrahlen durch ihren Schaltkristall schicken: kleine Änderungen des schwächeren Strahls bewirken nun das Umschalten: sie erzeugen beim stärkeren eine Intensitätsänderung um den Faktor zehn: Der im Titel angesprochene "Transphasor" war geboren.

Und mehr: Die Briten haben überdies, berichtet Smith nicht ohne Stolz, schon eine ganze Familie optischer Schaltkreiselemente in die Welt gesetzt - genug, um damit (theoretisch) bereits einen optischen Computer aufzubauen. Ein solcher könnte dann in Wettbewerb zu den avisierten flotten (und kühlen) Josephson-Computern der IBM sowie den geplanten schnellen LSI-Chips auf Galliumarsenidbasis treten - mit dem Zusatzvorteil, ähnlich wie die heutigen Lichtleiter-Kabel gegen elektromagnetische Störimpulse immun zu sein. Ob da nicht gleich das Militär aufhorcht?

*Egon Schmidt ist freier Wissenschaftsjournalist in München.