Lichtkämme für schnellere Kommunikation

Die Menge der weltweit erzeugten und übertragenen Daten wächst stetig. Mithilfe von Licht lassen sich Daten schnell und effizient übertragen. Die optische Kommunikation nutzt Glasfasern, durch die optische Signale weite Entfernungen praktisch verlustfrei überbrücken können. Sogenannte Wellenlängen-Multiplexverfahren ermöglichen es dabei, auf einem Lichtwellenleiter mehrere Datenkanäle unabhängig voneinander zu übertragen und damit extrem hohe Datenraten zu erreichen. Dazu kodiert man die Information auf Laserlicht unterschiedlicher Wellenlängen, das heißt verschiedener Farben. Allerdings ist die Skalierbarkeit solcher Systeme begrenzt, da derzeit für jeden Übertragungskanal ein eigener Laser benötigt wird. Zudem ist es schwierig, die Wellenlängen dieser Laser zu stabilisieren, sodass zusätzliche Sicherheitsabstände zwischen den Datenkanälen nötig sind, um gegenseitige Störungen zu vermeiden.

In einer nun vorgestellten Studie setzten Wissenschaftler des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) und der Schweizer École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) einen miniaturisierten Frequenzkamm als optische Quelle ein. Sie erreichen dabei einen Datenstrom von 1,44 Terabit pro Sekunde, der über eine Entfernung von 300 Kilometern übertragen wird – das entspricht dem Datenaufkommen von mehr als 100 Millionen Telefongesprächen. Die Studie zeigt erstmals, dass sich miniaturisierte optische Frequenzkammquellen zur kohärenten Datenübertragung im Terabit-Bereich eignen.

Optische Frequenzkämme, für deren Entwicklung John Hall und Theodor W. Hänsch 2005 den Physik-Nobelpreis erhielten, bestehen aus tausenden von dicht benachbarten Spektrallinien, deren Abstände genau gleich und genau bekannt sind. Eingesetzt werden Frequenzkämme bis jetzt hauptsächlich für hochgenaue optische Atom-Uhren oder als optisches Lineal, um Frequenzen hochpräzise zu messen. Für den massenhaften Einsatz in der Datenübertragung waren bisherige Frequenzkammquellen allerdings nicht geeignet, da sie zu groß und zu teuer waren, und da der Abstand der Linien in konventionellen Frequenzkämmen oftmals zu gering ist und nicht dem in der Telekommunikation verwendeten Kanalabstand von typischerweise mehr als 20 Gigahertz entspricht.

In ihrer gemeinsamen Studie haben die Forscher des KIT und der EPFL nun gezeigt, dass sich integriert-optische Frequenzkammquellen mit großen Linienabständen auf nanophotonischen Chips verwirklichen und zur Übertragung großer Datenmengen einsetzen lassen. Dazu nutzen sie einen optischen Mikroresonator aus Siliziumnitrid, in den sie Laserlicht über einen Nanowellenleiter einkoppeln und sehr lange speichern. „Aufgrund der hohen Lichtintensität im Resonator entstehen dabei über den sogenannten Kerr-Effekt aus einem einzigen Laserstrahl viele Spektrallinien, die zusammengenommen einen Frequenzkamm ergeben“, erklärt Jörg Pfeifle, der das Übertragungsexperiment am KIT durchgeführt hat.

Diese Methode zur Erzeugung von sogenannten Kerr-Frequenzkämmen wurde im Jahr 2007 von Tobias Kippenberg von EFPL entwickelt. Kerr-Kämme zeichnen sich durch große optische Bandbreite aus und erlauben es, Linienabstände zu realisieren, die den Anforderungen der Datenübertragung entsprechen. Die notwendigen Mikroresonatoren stellten die Wissenschaftler mit aufwendigen Nanofabrikationsmethoden im Zentrum für Mikro-Nanotechnologie der EPFL her. „Wir gehören weltweit zu den wenigen universitären Forschungsgruppen, die solche Proben überhaupt herstellen können“, kommentiert Kippenberg. Finanziert wurden die Arbeiten mit Mitteln des Schweizer Programms „NCCR Nanotera“ sowie der Europäischen Weltraumagentur ESA.

KIT / PH