(french and german versions below english version)

Newswise — A team of researchers from the Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) has successfully demonstrated, for the first time, that it is possible to control the speed of light " both slowing it down and speeding it up " in an optical fiber, using off-the-shelf instrumentation in normal environmental conditions. Their results, to be published in the August 22 issue of Applied Physics Letters, could have implications that range from optical computing to the fiber-optic telecommunications industry.

On the screen, a small pulse shifts back and forth " just a little bit. But this seemingly unremarkable phenomenon could have profound technological consequences. It represents the success of Luc Thévenaz and his fellow researchers in the Nanophotonics and Metrology laboratory at EPFL in controlling the speed of light in a simple optical fiber. They were able not only to slow light down by a factor of three from its well " established speed c of 300 million meters per second in a vacuum, but they've also accomplished the considerable feat of speeding it up " making light go faster than the speed of light.

This is not the first time that scientists have tweaked the speed of a light signal. Even light passing through a window or water is slowed down a fraction as it travels through the medium. In fact, in the right conditions, scientists have been able to slow light down to the speed of a bicycle, or even stop it altogether. In 2003, a group from the University of Rochester made an important advance by slowing down a light signal in a room-temperature solid. But all these methods depend on special media such as cold gases or crystalline solids, and they only work at certain well-defined wavelengths. With the publication of their new method, the EPFL team, made up of Luc Thévenaz, Miguel Gonzaléz Herraez and Kwang-Yong Song, has raised the bar higher still. Their all-optical technique to slow light works in off-the-shelf optical fibers, without requiring costly experimental set-ups or special media. They can easily tune the speed of the light signal, thus achieving a wide range of delays.

"This has the enormous advantage of being a simple, inexpensive procedure that works at any wavelength, notably at wavelengths used in telecommunications," explains Thévenaz.

The telecommunications industry transmits vast quantities of data via fiber optics. Light signals race down the information superhighway at about 186,000 miles per second. But information cannot be processed at this speed, because with current technology light signals cannot be stored, routed or processed without first being transformed into electrical signals, which work much more slowly. If the light signal could be controlled by light, it would be possible to route and process optical data without the costly electrical conversion, opening up the possibility of processing information at the speed of light.

This is exactly what the EPFL team has demonstrated. Using their Stimulated Brillouin Scattering (SBS) method, the group was able to slow a light signal down by a factor of 3.6, creating a sort of temporary "optical memory." They were also able to create extreme conditions in which the light signal travelled faster than 300 million meters a second. And even though this seems to violate all sorts of cherished physical assumptions, Einstein needn't move over " relativity isn't called into question, because only a portion of the signal is affected.

Slowing down light is considered to be a critical step in our ability to process information optically. The US Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) considers it so important that it has been funnelling millions of dollars into projects such as "Applications of Slow Light in Optical Fibers" and research on all-optical routers. To succeed commercially, a device that slows down light must be able to work across a range of wavelengths, be capable of working at high bit-rates and be reasonably compact and inexpensive.

The EPFL team has brought applications of slow light an important step closer to this reality. And Thévenaz points out that this technology could take us far beyond just improving on current telecom applications. He suggests that their method could be used to generate high-performance microwave signals that could be used in next-generation wireless communication networks, or used to improve transmissions between satellites. We may just be seeing the tip of the optical iceberg.

--------------------------- french version ---------------------------------------------------------

Plus vite que la lumière !

Une équipe du Laboratoire de nanophotonique et métrologie, à l'EPFL, démontre, pour la première fois, que l'on peut contrôler la vitesse de la lumière dans une fibre optique. De quoi ouvrir de nouvelles perspectives pour les systèmes de communication.

Sur l'écran, un petit pic vient de se décaler. Juste une petite courbe. Pourtant ce décalage pourrait avoir des conséquences technologiques considérables. Les chercheurs ont pris le contrôle de la vitesse de la lumière dans une simple fibre optique. Et avec panache, puisque ils ont réussi non seulement à la ralentir, d'un facteur trois, mais aussi à l'accélérer. Avec la prouesse de dépasser même la vitesse de la lumière dans le vide. Pour réussir cette performance, ils ont agité les atomes de la fibre optique avec un laser. Résultat : plus le faisceau est intense, plus la vitesse de la lumière qui passe dans la fibre est modifiée. Cette découverte fait sauter un verrou. Il est dès lors possible d'imaginer des réseaux de transmission et des processeurs entièrement optiques. Plus besoin d'électricité, les signaux lumineux sont contrôlés par de la lumière. Avec, en perspective, des gains de performance.

Jusqu'alors, des scientifiques étaient parvenus à modifier la vitesse d'un signal lumineux dans des conditions très complexes. L'année dernière cependant, un nouveau pas était franchi aux Etats-Unis avec une expérimentation dans un solide à une température ambiante. L'équipe de Luc Thévenaz, composée de Miguel González Herráez et de Kwang-Yong Song, est allée encore plus loin en utilisant de la fibre optique: «Celle-ci a l'énorme avantage de permettre une procédure simple, peu coûteuse et qui fonctionne à n'importe quelle longueur d'onde, donc à celles utilisées dans les télécommunications», explique Luc Thévenaz, maître d'enseignement et de recherche.

Au terme de plusieurs essais, les chercheurs ont réussi à ralentir une impulsion jusqu'à 3,6 fois sa durée, créant une sorte de "mémoire optique" temporaire. Ils ont également pu créer les conditions extrêmes d'une propagation plus rapide que la vitesse de la lumière. La loi de la relativité serait-elle alors remise en question? Non, car contrairement aux apparences, cette situation ne viole aucun principe de relativité ou de causalité, seule une partie de l'impulsion étant concernée. Einstein reste pleinement d'actualité.

Les possibilités d'application de cette première sont nombreuses, que ce soit dans le domaine des capteurs ou du traitement des signaux optiques. En télécommunications, ce procédé appliqué à la synchronisation des signaux, permettrait de mieux répartir le flux des données. On peut encore l'imaginer employé pour générer des signaux micro-ondes aux performances inédites, en combinant des signaux optiques ultrarapides pilotés par la lumière. Ceux-ci seraient utilisés sur les antennes des réseaux mobiles de prochaine génération, réduisant le smog électromagnétique, ou encore pour des transmissions entre satellites plus directives et donc plus efficaces.

----------------------------------------- german version -----------------------------------------------------

Lichtgeschwindigkeit übertroffen

Ein Team des Labors für Nanophotonik und Metrologie der EPFL hat erstmals bewiesen, dass die Geschwindigkeit des Lichts in einer Glasfaser kontrollierbar ist. Diese Entdeckung eröffnet den Kommunikationssystemen neue Entwicklungsmöglichkeiten.

Auf dem Bildschirm hat sich ein kleiner Peak verschoben. Nichts als eine winzige Kurve, deren Verschiebung jedoch bedeutende technologische Folgen nach sich ziehen könnte. Die Forscher kontrollierten erstmals die Geschwindigkeit des Lichts in einer einfachen Glasfaser. Welch ein Erfolg! Es gelang ihnen nämlich nicht nur, die Geschwindigkeit um das Dreifache zu bremsen, sondern auch zu beschleunigen, wobei sie sogar die Lichtgeschwindigkeit im Vakuum übertrafen.

Bei diesem Experiment wurden die Atome der Glasfaser mit einem Laser angeregt. Ergebnis? Je intensiver der Strahl, desto stärker verändert sich die Geschwindigkeit des durch die Glasfaser fliessenden Lichts. Diese Entdeckung ist bahnbrechend, da nun rein optische Übertragungsnetze und Prozessoren denkbar sind. Wenn Lichtsignale durch Licht kontrollierbar sind, braucht es auch keinen Strom mehr " von den möglichen Leistungssteigerungen ganz zu schweigen.

Bisher konnten Wissenschaftler die Geschwindigkeit der Lichtsignale nur unter besonders komplexen Bedingungen beeinflussen. In den USA verzeichneten Forscher im vergangenen Jahr jedoch bei einem Experiment mit einem Festkörper bei Zimmertemperatur neue Fortschritte. Das Team von Luc Thévenaz, bestehend aus Miguel González Herráez und Kwang-Yong Song, ging durch den Einsatz einer Glasfaser noch weiter: «Die Glasfaser ist besonders vorteilhaft, weil sie ein einfaches und kostengünstiges Verfahren ermöglicht, das bei allen und somit auch bei den in der Telekommunikation verwendeten Wellenlängen funktioniert», erklärt der «Maître d'enseignement et de recherche» Luc Thévenaz.

Nach mehreren Versuchen gelang es den Forschern, die Impulsdauer bis zu 3,6-mal zu verlangsamen und somit eine Art temporären «optischen Speicher» zu bilden. Gleichzeitig schufen sie extreme Bedingungen für eine die Lichtgeschwindigkeit übersteigende Ausbreitung. Wird nun an den Grundfesten der Relativitätstheorie gerüttelt? Nein, denn diese Situation widerlegt keinen der Grundsätze der Relativität oder der Kausalität, da nur ein Teil des Impulses betroffen ist. Einstein ist und bleibt aktuell.

Diese neue Entdeckung bietet zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für die Aufnahme und Verarbeitung optischer Signale. Die Telekommunikation könnte dieses Verfahren zur Synchronisation von Signalen für eine bessere Verteilung des Datenflusses nutzen. Es könnte aber auch zur Erzeugung von Mikrowellensignalen mit revolutionären Leistungsmerkmalen dienen, indem ultrarapide, vom Licht gesteuerte optische Signale miteinander kombiniert werden. Diese könnte man für Antennen der Mobilnetze der nächsten Generation zur Verringerung des elektromagnetischen Smogs oder für eine stärker gerichtete und somit effizientere Übertragung zwischen Satelliten nutzen.

MEDIA CONTACT
Register for reporter access to contact details
CITATIONS

Applied Physics Letters (22-Aug-2005)