Auffrischungs-Chips für optische Signale

Forscher an der Cornell Universität haben mit Nanodrähten aus Silizium verrauschte optische Signale auf rein optischem Wege aufgefrischt.

Die Informationsübertragung mit Licht durch Glasfasern ist aus der modernen Kommunikationstechnik nicht mehr wegzudenken. Hohe Übertragungsraten und eine hohe Parallelität der Übertragungskanäle sind ihre Vorzüge. In Glasfasern klingen optische Signale mit etwa 0,2 dB/km ab. Bei Übertragung über große Entfernungen kann man die Lichtsignale mit Faserverstärkern wieder herstellen, ohne sie dazu umständlich in elektrische Signale umwandeln zu müssen. Doch optische Signale verschlechtern sich bei der Übertragung auch durch Rauschen und durch Synchronisationsstörungen. Bisher konnte man solche fehlerhaften Signale nur elektronisch wieder auffrischen. Jetzt haben Forscher der Cornell Universität optische Signale mithilfe von Siliziumnanodrähten erstmals auf rein optischem Wege regeneriert, was sich in einen optischen Chip integrieren ließe.

Alexander Gaeta und seine Kollegen nutzen dazu die nichtlinearen optischen Eigenschaften von Silizium. So können zwei intensive Lichtwellen unterschiedlicher Frequenz durch Vierwellenmischung zwei andere Lichtwellen mit Summen- und Differenzfrequenzen erzeugen. Das optische Signal mit einer Wellenlänge um 1550 nm wurde zur Auffrischung durch eine Glasfaser geschickt, die einen etwa 500 nm dicken Siliziumkern hatte. Auf den winzigen Querschnitt dieses Siliziumnanodrahtes eingeschränkt, erreicht das Licht eine sehr hohe Intensität. Zudem ist der nichtlineare Brechungsindex von Silizium etwa 200-mal so groß ist wie der von Glas, sodass es zu nichtlinearen Effekten kam, die etwa 200.000-mal so stark waren wie in herkömmlichen Glasfasern.

Außer dem optischen Eingangssignal, mit dem 10 GBit/s übertragen werden konnten, wurde eine weitere Lichtwelle in den Nanodraht eingekoppelt. Im ersten Experiment war das eine kontinuierliche Lichtwelle, die eine kleinere Wellenlänge hatte als das optische Signal. In einem zweiten Experiment war es eine mit 10 GHz periodisch gepulste Welle, die langwelliger war das Eingangssignal. Durch Vierwellenmischung entstanden aus den beiden durch den Siliziumkern laufenden Wellen zwei weitere Wellen mit vergrößerter bzw. verkleinerter Wellenlänge. Diese Ausgangssignale wurden am Ende der 1,8 cm langen Glasfaser mit einem Bandpassfilter herausgefiltert und anschließend analysiert.

Im ersten Experiment fügten die Forscher dem Eingangssignal starkes Rauschen hinzu. Dann gaben sie das verrauschte Eingangssignal und die kontinuierliche Lichtwelle in die Glasfaser und filterten das langwelligere Ausgangssignal heraus. Es zeigte sich, dass im Ausgangssignal das Rauschen sehr stark unterdrück war. Im zweiten Experiment ließen sie das Eingangssignal ein wenig „flattern“, d. h. sie störten seine Synchronisation. Die Pulse, die in der Bitfolge des Signals die Einsen angaben, kamen dann nicht mehr zur richtigen Zeit an. Diesem gestörten Eingangssignal gaben sie ein präzise gepulstes Taktsignal bei. Das langwelligere Ausgangssignal wurde durch das Taktsignal wieder synchronisiert.

Auf diese Weise lassen sich abgeschwächte, verrauschte und aus dem Takt geratene optische Signal wieder auffrischen, indem man sie durch geeignet präparierte Glasfasern laufen lässt. Damit eröffnen sich für die optische Datenübertragung vielversprechende Möglichkeiten. Um allerdings viele verschiedene Signale parallel auffrischen zu können, muss das jetzt vorgestellte Verfahren auch auf eine größere optische Bandbreite erweitert werden. Daran arbeiten die Forscher jetzt.

Rainer Scharf

Weitere Infos:

• Originalveröffentlichung:
  Reza Salem et al.: Signal regeneration using low-power four-wave mixing on silicon chip. Nature Photonics (Published online: 9.12.07).
  http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2007.249
• Gruppe von Alexander Gaeta an der Cornell Universität:
  http://focus.aep.cornell.edu/