Zeitteleskop beschleunigt optische Datenübertragung

Siliziumwellenleiter nutzen eine raum-zeitliche Dualität der Optik, um Lichtwellen zu stauchen und Modulationsfrequenzen auf das 27-fache zu erhöhen.

Immer größere Datenmengen sollen immer schneller übertragen werden. Das gilt für das Internet ebenso wie für die Telefonie und für die Datenübertragung beim Grid Computing. Mit Licht in Glasfasern lassen sich riesige Übertragungsbandbreiten erreichen, die sich dem Petahertzbereich nähern. Da die Daten vor und nach ihrer optischen Übertragung als elektrische Signale vorliegen, bremst die „langsame“ Elektronik bisher noch die schnelle Glasfaseroptik aus. Jetzt haben Forscher an der Cornell Universität den optoelektronisch erzeugten Datenstrom zeitlich komprimiert und dadurch die Übertragungsrate erheblich vergrößert.

Hinter dem optischen Kompressionsverfahren, das Alexander Gaeta und seine Mitarbeiter entwickelt haben, steckt eine bemerkenswerte raum-zeitliche Dualität der Lichtausbreitung, die Brian Kolner intensiv untersucht hatte. Für monochromatische Lichtwellen, die sich in z-Richtung ausbreiten und in der Nähe der optischen Achse bleiben, kann man in dieser paraxialen Näherung den Einfluss einer optischen Linse auf die Lichtwellen einfach beschreiben. Das zylindersymmetrisch angenommene „Profil“ E(x,z) der Welle ändert sich gemäß einer bestimmten Differentialgleichung, der komplexen Diffusionsgleichung. Dabei erhält die Welle durch die Linse eine in x quadratische Phasenverschiebung.

Nach dieser komplexen Diffusionsgleichung entwickelt sich auch ein (polychromatischer) Lichtpuls in einer Raumdimension, wobei jetzt die Zeit t die Rolle der transversalen Koordinate x spielt. Erteilt man dem Puls eine in t quadratische Phasenverschiebung, so hat das die Wirkung einer „Zeitlinse“, die ihn in ähnlicher Weise bündelt wie eine optische Linse. Gaeta und seine Kollegen hatten sich überlegt, wie man zwei Zeitlinsen unterschiedlicher Brennweiten zu einem „Zeitteleskop“ zusammenschließen kann. Von ihm könnten Lichtpulse entlang der t-Achse in ähnlicher Weise gestaucht werden wie Lichtstrahlen von einem astronomischen Teleskop entlang der Transversalrichtung.

Als Zeitlinsen benutzten die Forscher Nanowellenleiter aus Silizium. In sie wurde eine Folge von Lichtpulsen, die mit einem elektrooptischen Modulator aus infrarotem Laserlicht erzeugt worden waren, über eine Glasfaser eingekoppelt. Außerdem wurden noch ultraschnelle Laserpulse in die Wellenleiter gegeben, wo sie durch die optische Nichtlinearität des Siliziums die in der Pulsfolge enthaltenen Frequenzanteile unterschiedlich beeinflussten. Dabei wurde die Pulsfolge vom ersten Wellenleiter in ihre Frequenzanteile zerlegt. Der Wellenleiter wirkte dadurch auf die Pulsfolge in ähnlicher Weise wie eine optische Linse, die bei der Fraunhofer-Beugung das Fernfeld so bündelt, dass in der Brennebene seine räumliche Fourier-Transformierte entsteht. Die Brennweite dieser Zeitlinse betrug 20 km.

Die vom ersten Wellenleiter zeitlich fourier-transformierte Pulsfolge wurde über eine Glasfaser in den zweiten Wellenleiter gebracht, der ebenfalls wie eine Zeitlinse wirkte. Sie hatte aber eine viel kürzere Brennweite von nur 750 m. Die beiden Zeitlinsen waren so angeordnet, dass die zweite Zeitlinse die Fourier-Transformation rückgängig machte. Da aber die Brennweite der ersten Linse 27-mal größer war als die der zweiten Linse, erschien die Pulsfolge 27-fach zeitlich gestaucht. So konnten die Forscher eine 2,2 ns lange Folge von 11 Pulsen auf ca. 80 ps zusammenschieben. Bitfolgen aus 24 Bits ließen sich ihn ähnlicher Weise zeitlich komprimieren. Dadurch konnte die Übertragungsrate von 10 Gb/s auf 270 Gb/s erhöht werden.

Auch kontinuierliche Wellenfronten ließen sich zusammenschieben, so dass Details von 40 ps Dauer auf 1,5 ps verkürzt erschienen. Eine optische Datenübertragung mit einer Bandbreite von 600 GHz und mehr sollte somit erreichbar sein. Ein zweites Zeitteleskop müsste dann die Datenflut am anderen Ende der Glasfaser wieder auf eine kleinere Bitrate zurückbringen, damit die langsamere Elektronik sie verarbeiten kann. Verluste und zeitliche Verzögerungen des Verfahrens sind so gering, dass sie kein Hindernis für einen praktischen Einsatz darstellen. Da das Zeitteleskop auf bewährte Materialien und Technologien zurückgreift, ließe sich mit ihm der Datenverkehr schon bald erheblich beschleunigen.

RAINER SCHARF

• Gruppe von Alexander Gaeta an der Cornell University:
  http://focus.aep.cornell.edu/
   
• Brian Kolner an der UC Davis:
  http://leorg.engineering.ucdavis.edu/

Weitere Literatur: 

• M. A. Foster et al. : Silicon-chip-based ultrafast optical oscilloscope. Nature 456, 81 (2008)
  http://dx.doi.org/10.1038/nature07430
  http://focus.aep.cornell.edu/Papers/MF_Si_UFO_nature.pdf (frei)

• B. H. Kolner: Space-time duality and the theory of temporal imaging. IEEE J. Quantum Electron. 30, 1951 (1994)
  http://leorg.engineering.ucdavis.edu/articles/space_time.pdf (frei!)

• C. V. Bennett & B. H. Kolner: Principles of parametric temporal imaging—Part I: System configurations. IEEE J. Quantum Electron. 36, 430–437 (2000)
  http://leorg.engineering.ucdavis.edu/articles/cvb_jqe_pt1_00.pdf (frei!)

KP