Rekord in der optischen Daten­übertragung

Einen neuen Rekord in der Daten­übertragung mit Licht haben Wissen­schaftler am Karlsruher Institut für Tech­nologie KIT und an der École Poly­technique Fédérale de Lausanne EPFL erreicht: Wie die Forscher berichten, ließen sie optische Solitonen in Mikro­resonatoren aus Silizium­nitrid auf einem Chip zir­kulieren und erzeugten dadurch optische Frequenz­kämme von großer Bandbreite. Zwei solche Frequenz­kämme, die sich überlagern, ermöglichen eine massiv parallele Daten­übertragung auf 179 Wellenlängen­kanälen mit einer Daten­rate von über 50 Terabit pro Sekunde.

Optische Soli­tonen sind spezielle Wellen­pakete, die sich ausbreiten, ohne dabei ihre Form zu verändern. In der optischen Kommu­nikation können Solitonen zur Erzeugung von Frequenz­kämmen mit einer Vielzahl von Spektral­linien eingesetzt werden, mit denen sich besonders leistungs­fähige und kompakte Übertragungs­systeme von hoher Kapazität rea­lisieren lassen. Dies haben Forscher am Institut für Photonik und Quanten­elektronik und am Karlsruher Institut für Mikro­struktur­technik sowie am Laboratory of Photonics and Quantum Measure­ments der EPFL nun demons­triert.

Die Wissen­schaftler verwendeten optische Mikro­resonatoren aus Silizium­nitrid, die sich leicht in kompakte Kommunikations­systeme inte­grieren ließen. In diesen Mikro­resonatoren erzeugten sie Solitonen, welche konti­nuierlich zirku­lierten und optische Frequenz­kämme von großer Bandbreite erzeugten. Optische Frequenz­kämme, für deren Er­forschung John Hall und Theodor W. Hänsch 2005 den Physik-Nobel­preis erhielten, bestehen aus einer Vielzahl von benach­barten Spektral­linien, die in genau gleichen Abständen ange­ordnet sind. Traditionell dienen sie vor allem als hoch­präzise optische Referenz zum Messen von Frequenzen. Für die Daten­übertragung eignen sich Kerr-Frequenz­kämme, die sich durch große optische Bandbreite und für die Kommu­nikation optimal geeignete Linien­abstände auszeichnen. Jede einzelne Spektral­linie lässt sich zur Über­tragung eines Daten­signals nutzen.

In ihren Experi­menten setzten die Forscher zwei sich über­lagernde Kerr-Frequenz­kämme ein. Sie erzeugten damit insgesamt 179 optische Träger­wellen, die das C- und L-Band der Tele­kommunikation vollständig abdecken und zur Daten­übertragung genutzt werden können. Dabei erreichten sie eine Daten­übertragungs­rate von 55 Terabit pro Sekunde über eine Entfernung von 75 Kilometern. „Dies entspricht mehr als fünf Milliarden Telefon­gesprächen oder mehr als zwei Millionen HDTV-Kanälen. Es ist die höchste Daten­rate, die bislang mit einer Frequenz­kamm­quelle im Chip-Format erreicht wurde“, erklärt Christian Koos vom IPQ und IMT des KIT, der für seine Forschung zu optischen Frequenz­kämmen einen Starting Independent Researcher Grant des Euro­päischen Forschungs­rats erhalten hatte.

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 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 Tobias Kippen­berg die Vorteile des Ansatzes heraus. Das Soliton entsteht dabei durch nicht­lineare Prozesse, die durch die hohe Inten­sität des Lichtfelds im Mikro­resonator auftreten. Der Mikro­resonator wird dazu nur durch einen Dauerstrichlaser 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 nun vorge­stellte Arbeit zeigt, dass Soliton­kammquellen auf Basis von Mikro­resonatoren das technisch vorherr­schende Wellen­längen-Multiplex-Verfahren (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.

KIT / JOL