Ohne Simulation geht's nicht

Methoden zur Entwicklung von neuen Bauteilen für die Optoelektronik: die numerische Simulation.

Das hatten die Forscher nicht erwartet: Als sie den Laserpuls durch eine optische Faser schickten, kam am anderen Ende kein einfarbiges Laserlicht heraus, sondern ein breit gefächertes Spektrum. So etwas ist schlecht für die Nachrichtenübertragung. Und besonders problematisch wird es, wenn man den Störeffekt nicht gleich versteht. Hier konnten Mathematiker um Uwe Bandelow vom Weierstraß- Institut helfen, die sich schon länger mit der Simulation von Laserpulsen in optischen Fasern befassen. Bandelow wird mit einem Kollegen darüber demnächst auf der Tagung NUSOD 05 in Adlershof berichten. Die Konferenz richten zwei Institute des Forschungsverbunds mit der Humboldt-Universität gemeinsam aus; das Kürzel NUSOD steht für die numerische Simulation von optischen Bauteilen (Engl: devices).

Numerische Simulationen sind einer der Schwerpunkte am WIAS. 'Viele unserer Projekte beziehen sich auf Effekte, die für Anwendungen wichtig sind', erläutert Bandelow. Dass der Anwendungsaspekt eine wichtige Rolle spielt, sagt auch Hans Wenzel vom Ferdinand-Braun-Institut, dem anderen Verbundinstitut, das die NUSOD 05 mitorganisiert. Wer neue Bauteile entwickeln wolle oder bestehende verbessern, der komme an der Mathematik nicht vorbei: 'Ohne Simulation braucht man erst gar nicht anzufangen', betont Wenzel.

Er selbst wird bei der Konferenz über verschiedene Simulationsverfahren berichten, mit denen man entscheidende Faktoren von so genannten Bragg-Reflektoren berechnen kann. Ein Bragg-Reflektor ist eine Art von Spiegel mit einer periodischen Änderung der Brechzahl, der nur bestimmte Wellenlängen des Lichts reflektiert und andere durchlässt. Bragg-Reflektoren kommen in der Laseroptik zum Einsatz. 'Für ihre Simulation gibt es aufwändige Verfahren, die sehr genaue Ergebnisse liefern', berichtet Wenzel. Der Nachteil sei aber, dass es lange dauert und hohe Rechnerkapazitäten erfordert, um zum Ergebnis zu kommen. Andere Methoden seien wesentlich schneller, lieferten dafür aber ungenauere Resultate. Wenzel hat nun solche Simulationen verglichen, um herauszufinden, ob die schnelleren Berechnungen nicht auch ausreichten. Pulsausbreitung in optischen Fasern und Bragg-Reflektoren sind nur zwei von vielen Themen bei der NUSOD 05, die erstmals in Berlin stattfinden wird. Im Mittelpunkt steht die Optoelektronik. Es werden Vorträge erwartet zur Simulation und zur Analyse von Bauteilen, aber auch zur Theorie und zu materialwissenschaftlichen Fragen. Es gibt auch so genannte Tutorials: Seminare für Nachwuchsforscher, die von anerkannten Fachwissenschaftlern geleitet werden. Überdies wird die Industrie als Aussteller zugegen sein und so den Praxisbezug der Tagung noch deutlicher machen.

Gegründet wurde die NUSOD von Joachim Piprek, einem Absolventen der Berliner Humboldt- Uni (1980), der jetzt als Professor für 'Electrical and Computer Engineering' an der University of California in Santa Barbara arbeitet. Die Konferenz findet abwechselnd in den USA, Europa und Japan statt. Berlin ist dabei nicht nur alte Heimat von Piprek, wie Wenzel erläutert: 'Die hiesige Wissenschaft ist sehr stark sowohl auf dem Gebiet der Simulation als auch der Realisierung von optoelektronischen Bauteilen.' Für den FBH-Wissenschaftler ist das ein klarer Standortvorteil Berlins.

Das dürften auch seine Kollegen vom WIAS so sehen, die sich international einen Namen gemacht haben mit ihren Methodenentwicklungen zur numerischen Simulation. So konnten die Weierstraß-Forscher eben auch nachvollziehen, weshalb das Laserlicht in der optischen Faser seine Farbe änderte. Uwe Bandelow sagt, es handele sich um Phänomene der Selbstmodulation und der Dispersion. 'Dominiert die Dispersion', berichtet Bandelow, 'kann man das kompensieren - und so den ursprünglichen Puls wieder herstellen.' Das war doch noch eine gute Nachricht für die Datenübermittlung.