Eine zufällige Entdeckung eröffnet neue Perspektiven für unsere Kommunikationssysteme. Während sie an der Verbesserung von LiDAR-Systemen arbeiteten, beobachteten Wissenschaftler ein unerwartetes Phänomen, das unsere Art der Informationsübertragung revolutionieren könnte.
Das Team im Labor von Michal Lipson suchte ursprünglich nach Möglichkeiten, Chips zu entwickeln, die intensivere Lichtstrahlen für LiDAR-Anwendungen erzeugen können. Als sie schrittweise die Leistung durch ihre Geräte erhöhten, bemerkten sie das spontane Auftreten eines Frequenzkamms. Diese besondere Lichtstruktur besteht aus mehreren perfekt gleichmäßig verteilten Farben, ähnlich den regelmäßigen Zähnen eines Kamms. Jede Lichtfrequenz kann ihren eigenen Datenstrom übertragen, ohne sich mit den anderen zu stören, und vervielfacht so die Übertragungskapazitäten.
Diagramm, das das beugende Element veranschaulicht, das die Linien des Hochleistungs-Frequenzkamms spektral trennt
Bildnachweis: Labor Michal Lipson Bislang erforderte die Erzeugung leistungsstarker Frequenzkämme sperrige und teure Lasersysteme. Die Innovation des Teams liegt in der vollständigen Integration dieser Funktionalität auf einem einfachen photonischen Chip. Andres Gil-Molina, ehemaliger Postdoktorand im Labor, betont, dass diese Technologie perfekt auf die wachsenden Anforderungen von Rechenzentren zugeschnitten ist. Sie ermöglicht es, ganze Racks mit einzelnen Lasern durch eine einzige kompakte Vorrichtung zu ersetzen, was erhebliche Gewinne in Bezug auf Energieeffizienz und Platzbedarf bietet.
Die größte technische Herausforderung bestand darin, das von Multimode-Laserdioden erzeugte Licht zu beherrschen, die für ihre Leistungsfähigkeit, aber auch für ihren Mangel an Kohärenz bekannt sind. Die Forscher entwickelten einen Verriegelungsmechanismus, der die Eigenschaften der Siliziumphotonik nutzt, um den Lichtstrahl zu reinigen und zu stabilisieren. Sobald dieser Schritt abgeschlossen war, kommen die nichtlinearen optischen Eigenschaften des Chips ins Spiel und teilen den einzelnen Strahl in mehrere perfekt gleichmäßig verteilte Farben auf.
Dieser Durchbruch kommt genau zum richtigen Zeitpunkt angesichts der explodierenden Anforderungen an die Datenverarbeitung, insbesondere mit der Entwicklung der künstlichen Intelligenz. Moderne Rechenzentren nutzen bereits Glasfaserverbindungen, aber die meisten arbeiten immer noch mit Einzelwellenlängenlasern. Die Frequenzkamm-Technologie ermöglicht es, Dutzende paralleler Strahlen in derselben Faser zirkulieren zu lassen, und greift damit das Prinzip der Wellenlängenmultiplexierung auf, das das Internet in den 1990er Jahren revolutionierte.
Die potenziellen Anwendungen gehen weit über den Bereich der Telekommunikation hinaus. Diese kompakten photonischen Chips könnten tragbare Spektrometer, hochpräzise optische Uhren, miniaturisierte Quantengeräte und... verbesserte LiDAR-Systeme ausstatten. Michal Lipson betrachtet diese Errungenschaft als einen wichtigen Meilenstein in der Entwicklung der Siliziumphotonik, einer Technologie, die für unsere tägliche digitale Infrastruktur unerlässlich wird.
Quelle: Nature Photonics