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Optische Kommunikation im Rekordtempo

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Enorme Geschwindigkeitssteigerung, drastisch reduzierter Energieverbrauch

Solitonen-Frequenzkämme werden durch Siliziumnitrid-Mikroresonatoren erzeugt und zur parallelen Datenübertragung über eine Vielzahl von Frequenzkanälen genutzt. Ein kompletter Transceiver-Chip aus diesen Elementen nimmt hierbei immer noch nur den Bruchteil der Fläche einer Ein-Cent-Münze ein.
Solitonen-Frequenzkämme werden durch Siliziumnitrid-Mikroresonatoren erzeugt und zur parallelen Datenübertragung über eine Vielzahl von Frequenzkanälen genutzt. Ein kompletter Transceiver-Chip aus diesen Elementen nimmt hierbei immer noch nur den Bruchteil der Fläche einer Ein-Cent-Münze ein.
(Bild: J. N. Kemal/P. Marin Palomo/KIT)

Die Bauteile haben das Potenzial, den Energieverbrauch der Lichtquelle in Kommunikationssystemen drastisch zu reduzieren. Grundlage der Arbeit sind verlustarme optische Mikroresonatoren aus Siliziumnitrid, in denen die Arbeitsgruppe um Professor Tobias Kippenberg an der EPFL im Jahre 2014 erstmals den genutzten Solitonen-Zustand erzeugen konnte.

„Unsere Solitonen-Kammquellen eignen sich ideal zur Datenübertragung und lassen sich kostengünstig und in großen Stückzahlen auf kompakten Mikrochips herstellen“, stellt Professor Tobias Kippenberg die Vorteile des Ansatzes heraus. Das Soliton entsteht dabei durch sogenannte nichtlineare Prozesse, die durch die hohe Intensität des Lichtfelds im Mikroresonator auftreten.

Der Mikroresonator wird dazu nur durch einen Dauerstrichlaser betrieben (fachsprachlich gepumpt), aus dem mithilfe des Solitons Hunderte von neuen, äquidistanten Laserlinien entstehen. Die Kammquellen werden derzeit über eine Ausgründung der EPFL in die Anwendung gebracht.

Die in Nature vorgestellte Arbeit zeigt, dass Solitonkammquellen auf Basis von Mikroresonatoren das technisch vorherrschende Wellenlängen-Multiplex-Verfahren (engl. Wavelength Division Multiplexing, WDM) in der optischen Kommunikation wesentlich verbessern können. Mit WDM lassen sich auf einem Lichtwellenleiter mehrere Datenkanäle unabhängig voneinander übertragen und dadurch hohe Datenraten erreichen.

Die Information wird dazu auf Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen kodiert. Für die kohärente Kommunikation lassen sich miniaturisierte Frequenzkammquellen nicht nur auf der Sender-, sondern auch auf der Empfängerseite von WDM-Systemen einsetzen.

Das verbessert die Skalierbarkeit solcher Systeme entscheidend und erlaubt eine hochgradig parallele kohärente Datenübertragung mit Licht. „Leistungsfähige Transceiver im Chip-Format für zukünftige Petabit-Netzwerke rücken damit deutlich näher“, sagt Koos.

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