Porträt : Schnell wie der Blitz

Der Physiker Dieter Bimberg erforscht, wie man mithilfe von Licht selbst Spielfilme binnen Sekunden übertragen kann.

Ralf Nestler
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Winzig. Quantenpunkte sind pyramidenförmige Strukturen in Halbleitern, die Lichtteilchen aussenden (rote Punkte). Foto: TU Berlin

Dieter Bimberg liebt hohe Geschwindigkeiten. „Wenn man die Füße gegen den Rumpf des Katamarans stemmt und mit dem Körper knapp über der Wasseroberfläche dahinjagt, das ist fantastisch“, sagt der Hobbysegler. „Die schlanken Boote mit den zwei Rümpfen sind wie ein Porsche auf dem Wasser.“ Die Tempojagd hart am Wind ist aber eher die Ausnahme für den 67-Jährigen. Ein-, zweimal im Jahr bietet sich die Gelegenheit dafür. Doch auch die übrige Zeit hat für ihn viel mit Geschwindigkeit zu tun. Schließlich arbeitet der Physikprofessor an der TU Berlin mit dem Schnellsten, was das Universum zu bieten hat: Licht. Er und sein Team erforschen, wie mithilfe von Lichtsignalen große Datenmengen schnell übertragen werden können.

„Um sich einen Spielfilm via Internet nach Hause zu holen, benötigt man fürs Runterladen heute etwa eine halbe Stunde“, sagt Bimberg. „In unserem Labor haben wir eine Übertragungstechnik entwickelt, mit der Filme binnen zwei oder drei Sekunden eintreffen könnten.“ Möglich wird das durch winzig kleine Halbleiterstrukturen, die ultrakurze Lichtpulse aussenden. „Nanophotonik“ sagen die Wissenschaftler deshalb zu ihrem Fachgebiet.

Bimbergs Team hat im Wettstreit der Forscher um schnelle Datentransfers immer wieder Geschwindigkeitsrekorde aufgestellt. Es kann also durchaus als Anerkennung der weltweiten Konkurrenz gelten, dass als Tagungsort für den derzeit stattfindenden „International Nano-Optoelectronics Workshop“ (iNOW) unter anderem Berlin ausgewählt wurde. Bisher wurde er in Berkeley, Tokio und Peking ausgerichtet. Zu der aktuellen Sommerschule sind 60 Top-Forscher und 160 ausgewählte Studenten aus aller Welt angereist. Nach einer Woche in Stockholm diskutieren sie von heute an bis zum Freitag in Berlin über ihre Ergebnisse.

Für den TU-Wissenschaftler werden die nächsten Tage also ziemlich anstrengend sein: Er will nicht nur seine Arbeitsgruppe repräsentieren, sondern gleich die ganze Stadt. Deshalb hat er ins Programm neben Vorträgen namhafter Wissenschaftler – etwa des Nobelpreisträgers Klaus von Klitzing – jede Menge Kultur aufgenommen, von der Museumsinsel bis zur Schlössernacht im nahen Potsdam. „Berlin begeistert mich“, sagt der gebürtige Schwabe und schwenkt die Arme vor den Fenstern seines Büros, fünf Etagen über Charlottenburg.

Als er vor 19 Jahren ein Angebot bekam, nach Lausanne zu wechseln, habe er ernsthaft überlegt, die Stadt zu verlassen. Bald stand sein Entschluss fest: „Die Mauer war gerade gefallen, und zwei unterschiedliche Kulturen begannen zusammenzuwachsen – das durfte ich nicht verpassen!“ Hinzu kam, dass Bimberg damals gerade Institutsdirektor geworden war und ein Labor aufbauen konnte, wie er es sich wünschte.

Begonnen hatte alles in einem Stuttgarter Gymnasium. „Mein Physiklehrer hat mich für das Fach begeistert“, erzählt Bimberg. Ein halbes Jahr habe es gedauert, bis er seine Eltern endlich überzeugt hatte, ihn in der Oberstufe aus dem Lateinkurs zu nehmen, damit er sich der Naturwissenschaft widmen konnte. Nach dem Studium in Tübingen und Frankfurt am Main arbeitete er unter anderem in Grenoble und im kalifornischen Palo Alto.

Thema waren immer Halbleiter und die Frage: Wie muss man die Materialien verändern, um die daraus hergestellten Bauteile noch schneller zu machen? Mit elektrischen Strömen, die durch den Werkstoff fließen – wie zum Beispiel in jedem Computerchip –, befasst sich Bimberg aber nur noch selten. Sein Medium ist das Licht. „Damit können bis zu einer Milliarde mal mehr Informationen übertragen werden als mit elektrischen Signalen“, sagt er.

Um Sprache, Bilder oder Videos durch eine Glasfaserleitung zu schicken, müssen die Daten zunächst in die Digitalsprache übersetzt werden, die lediglich aus Nullen und Einsen besteht. Diese Codes werden anschließend nach dem Prinzip „Licht an, Licht aus“ in zeitlich festgelegten Lichtpulsen auf Reisen geschickt und vom Empfangsgerät in akustische und optische Informationen zurückverwandelt.

„Je kürzer die Lichtpulse sind, umso mehr Daten kann ich in einer bestimmten Zeit verschicken“, erläutert der Forscher. Auf der Suche nach immer besseren Lichtquellen ist es Bimberg 1994 erstmals gelungen, einen neuartigen Typ von Sendern zu bauen, die um ein Vielfaches schneller „blitzen“ als gewöhnliche Laser: Quantenpunkte. Damit werden winzige Strukturen aus ein paar hundert Atomen bezeichnet, die in einem Halbleitermaterial eingebettet sind. „Die Strukturen sind so klein, dass sie sich nicht mehr wie ein Festkörper, sondern wie ein einzelnes Atom verhalten, also Quanteneffekte zeigen“, sagt der Physiker. Quantenpunkte können Lichtblitze erzeugen, die weniger als eine billionstel Sekunde lang andauern. Theoretisch wäre damit eine Übertragungsrate von einem Terabit pro Sekunde möglich, dem Hundertfachen dessen, was die besten Netzwerke heute schaffen.

Doch die Praxis sieht anders aus. Die einzelnen Bauteile in der „Lichterkette“ müssen so konstruiert sein, dass sie alle mit dem gleichen Tempo arbeiten können. Vor drei Jahren haben zwei Doktoranden aus Bimbergs Team immerhin eine Übertragungsrate von 80 Gigabit pro Sekunde geschafft, das Achtfache des derzeit geltenden Standards für Ethernetverbindungen.

Um Halbleiter im Nanomaßstab bauen zu können, brauchen die Wissenschaftler extrem saubere Labore. „Ein winziger Fussel kann die Arbeit von Tagen zunichtemachen“, sagt Bimberg auf dem Weg in den Keller, wo sich das größte und modernste Labor des Nanophotonikzentrums befindet. „Hier ist die Luft bis zu hundert Millionen Mal sauberer als draußen auf der Hardenbergstraße“, sagt der Chef. Er spricht jetzt etwas lauter, kämpft gegen das Rauschen der Lüftungsanlagen an, denen man anhört, dass sie durch feinste Filter atmen müssen. Drinnen ist es dank Isolierung deutlich leiser.

In den Hochleistungslaboren lassen die Wissenschaftler nahezu atomweise Strukturen aus Indium oder Gallium sowie Arsen auf einem Halbleiter wachsen. Am Ende sollen Bauteile entstehen, die noch kürzere und zugleich klar erkennbare Lichtsignale erzeugen.

„In einer aktuellen Diplomarbeit hat einer meiner Studenten eine Übertragungsrate von 160 Gigabit pro Sekunde erreicht“, erzählt Bimberg. Mal wieder ein Rekord. Im Herbst soll die Arbeit in einem Fachmagazin erscheinen.

Er selbst ist mittlerweile nicht mehr so häufig im Labor anzutreffen. „Ich habe jahrelang an Knöpfchen gedreht und kenne die Arbeit genau“, sagt er. Als Institutsdirektor, Gründer zweier Sonderforschungsbereiche und Berater in zahlreichen Fachgremien fehle ihm heute einfach die Zeit dafür. „Stattdessen sehe ich mich jetzt als Impulsgeber, der neue Ideen ausheckt, die meine Gruppe dann ausprobiert.“

Rund 40 wissenschaftliche Mitarbeiter und Studenten sind dabei. Bimberg hat diese Unterscheidung übrigens nicht so gern. „Für mich gehören Diplomanden selbstverständlich zum Team dazu“, sagt er. „Alle bearbeiten sehr anspruchsvolle Projekte und brauchen sich keineswegs zu verstecken.“ Ja, er verlange ziemlich viel von den Nachwuchsforschern, sagt Bimberg. Aber er versuche auch, sie stets zu motivieren, wenn es Rückschläge gebe. Wie es sein Physiklehrer damals am Gymnasium tat.

Auch wenn er es nicht immer offen zeigt: Bimberg ist stolz auf seine Leute. Er ist sicher, dass sie in diesen Tagen ebenfalls das Team und die Stadt gut vertreten werden. Während er Vorträge hält, Diskussionen führt, Hände schüttelt und sich um tausend Kleinigkeiten kümmern muss, die trotz intensiver Vorbereitung doch nicht klappen werden.

Und was kommt nach dem Workshop? Na klar, Katamaransegeln. Flug und Boot sind längst gebucht.

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