1,8 Mio. Gb/s optisch übertragen

Ein optischer Chip ersetzt 1000 Laser

9. November 2022, 8:19 Uhr | Heinz Arnold
Ein Mikroresonator mit integriertem Heizelement, der ein Schlüsselelement für den Aufbau eines Frequenzkamms bildet. Der rote Teil stellt die Lichtpulse dar, die im Resonator zirkulieren.
Ein Mikroresonator mit integriertem Heizelement, der eine Schlüsselkomponente für den Aufbau eines Frequenzkamms ist. Der rote Teil stellt die Lichtpulse dar, die im Resonator zirkulieren.
© Nature Photonics

Ein neuer optischer Chip auf Basis von Frequenzkämmen kann pro Sekunde zweimal so viele Daten übertragen, wie im Internet pro Sekunde insgesamt versendet werden.

Bisher lag der Rekord für einen optischen Chip bei 661 Tb/s (661.000 Gb/s). Zwar konnten auch schon, 10,66 Pb/s zu übertragen werden, das gelang jedoch nur mit aufwändiger und sperriger Elektronik. Dagegen kann der neue Chip 1,8 Pb/s auf viel kleineren Platz zu viel geringeren Kosten mit weniger Energieaufnahme übertragen, mit der Aussicht, ihn in hohen Stückzahlen herstellen zu können.

Der Chip arbeitet mit dem Licht eines einzelnen Infrarot-Lasers und generiert ein Regenbogen-Spektrum aus vielen Farben. Alle resultierenden Frequenzen liegen in einer festen Distanz voneinander entfernt – ähnlich wie die Zinken eines Kamms. Daher kommt der Ausdruck Frequenzkamm, für dessen Entwicklung Theodor W. Hänsch 2005 den Nobelpreis für Physik erhalten hatte. Jede Frequenz kann für sich betrachtet werden, die Amplitude lässt sich für die Modulation für die Datenübertragung nutzen. Die verschiedenen Frequenzen können dann zusammengeführt und können über einen Lichtwellenleiter gleichzeitig übertragen werden. Dass sich Frequenzkämme für die optische Telekommunikation nutzen lassen, hatte schon 2007 die Max-Planck-Nachwuchsgruppe von Tobias Kippenberg in Zusammenarbeit mit Ronald Holzwarth von Menlo Systems gezeigt.

»Verschiedene Forschungsgruppen weltweit haben schon gezeigt, dass sich Frequenzkämme für die Datenübertragung eignen und zahlreiche individuelle Laser ersetzen können«, sagt Leif Katsuo Oxenløwe, einer der Autoren der Studie, der an der optischen Kommunikation an der Technical University of Denmark forscht. Veröffentlicht haben die Forscher ihre Ergebnisse in einem Artikel in Nature Phtonics.

Die Forscher um Oxenløwe haben den Rekord-Übertragungswert erreicht, indem sie einen Frequenzkamm vielmals kopierten und ihre Signale optisch verstärkten. »Das Potenzial der Frequenzkämme ist viel größer als sogar viele Enthusiasten dieser Technologie zuvor je zu träumen gewagt hatten«, ist sich Leif Katsuo Oxenløwe jetzt sicher. Künftig ließen sich weitere Komponenten wie Laser, Modulatoren, und Verstärker auf einem einzigen optischen Chip integrieren.

Die neuen optischen Chips emittieren Licht mit Wellenlängen zwischen 1.530 und 1,610 nm, was dem C- und L-Bändern in der Übertragungstechnik entspricht. Bei diesen Bändern lässt sich das Licht in optischen Fasern mit minimalen Verlusten übertragen.

In ihren Experimenten erzielten die Wissenschaftler eine Datenübertragungsrate von 1,48 Pb/s über eine 7,9 km lange optische Faser. Dabei benutzten sie 223 Kanäle mit unterschiedlichen Wellenlängen. »Wir haben zum ersten Mal untersucht, wieviel Datens sich über einen einzigen Frequenzkamm übertragen lassen«, sagt Oxenløwe. Würde konventionelle Elektronik eingesetzt, so wären dafür laut Aussagen der Forscher rund 1000 einzelne Laser erforderlich. Der neue Chip kann somit dazu beitragen, die Energieaufnahme im Internet deutlich zu reduzieren.

Außerdem zeigt ein Modell der Wissenschaftler, dass ein einzelner Chip sogar 100 Pb/s schaffen könnte, wenn das Kabel aus 1000 Fasern aufgebaut wäre. »Schon heute sind solche Kabel für die Übertragung von hohen Datenraten in Rechenzentren erhältlich, die Skalierung erscheint also als sehr realistisch«, so Oxenløwe.

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