Rekord bei der optischen Datenübertragung

Massiv parallele Signale: Forscher haben einen neuen Rekord in der Datenübertragung mit Licht erreicht. Mit Hilfe eines Mikroresonators aus Siliziumnitrid erzeugten sie spezielle Lichtsignale, die über eine Entfernung von 75 Kilometern mehr als 50 Terabit Daten pro Sekunde übertragen können – dies entspricht fünf Milliarden Telefonaten pro Sekunde. Möglich wurde dies, weil die Daten durch die 179 Trägerwellen zweier sogenannter Laser-Frequenzkämme parallel übertragen wurden.

Wenn es um große Datenmengen und hohe Geschwindigkeiten geht, führt an der optischen Datenübertragung kein Weg vorbei. Meist werden die Lasersignale mittels Glasfaser übertragen, aber auch erste Versuche mit einer Übertragung durch die Luft laufen bereits. Wie hoch die Datenrate dabei ist, hängt entscheidend von der Form und Art der optischen Signale ab.

Lichtpakete ohne Streuverluste

Besonders hohe Übertragungsraten lassen sich mit sogenannten Solitonen erzielen. Diese Lichtwellenpakete breiten sich in einem Medium aus, ohne dabei ihre Form zu verändern. Herkömmliche Lasersignale dagegen weiten sich in der Glasfaser mit zunehmender Laufstrecke auf und werden dadurch schwächer.

Jetzt haben Forscher des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) einen Chip entwickelt, der viele parallele Solitonen-Trägerwellen auf einmal produzieren kann und dadurch große Bandbreiten und hohe Übertragungsgeschwindigkeiten erreicht. Möglich wird dies durch Mikroresonatoren aus Siliziumnitrid. Diese in einen Chip integrierten Lichtquellen erzeugen Lichtpakete, die zirkulieren und sich so überlagern, dass sogenannte Frequenzkämme entstehen.

Kämme aus Licht

Die Frequenzkämme bestehen aus einer Vielzahl scharf abgegrenzter Spektrallinien in genau gleichen Abständen – sie bilden damit eine Art Kamm aus Licht verschiedener Wellenlängen. Die 2005 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnete Erfindung ermöglicht nicht nur hochgenaue optische Messungen, die massiv parallelen Lichtsignale können auch zur Datenübertragung genutzt werden.

Die Solitonen-Frequenzkämme werden durch Siliziumnitrid-Mikroresonatoren erzeugt und zur parallelen Datenübertragung genutzt. © J. N. Kemal, P. Marin Palomo/KIT

Der große Vorteil: Jede „Zinke“ eines solchen Frequenzkamms kann ein Datensignal transportieren – dies ermöglicht große Bandbreiten. Bereits 2007 gelang es Forschern, die Bauteile für Frequenzkämme so stark zu verkleinern, dass sie auf einen Mikrochip passen. Jetzt haben Christian Koos vom KIT und seine Kollegen die Technik so weit verfeinert, dass sie damit einen neuen Rekord bei der optischen Datenübertragung erzielten.

55 Terabit pro Sekunde – über 75 Kilometer hinweg

Für die Übertragung erzeugten die Forscher zwei optische Frequenzkämme, die sich auf dem Chip überlagern. Dadurch entstehen Spektrallinien, die eine Datenübertragung auf 179 Wellenlängenkanälen gleichzeitig ermöglichen – und die das C- und L-Band der Telekommunikation vollständig abdecken. Im Labor testeten die Forscher, welche Datenrate sich damit auf einer Übertragungsstrecke von 75 Kilometern erreichen lässst.

Das Ergebnis: Die Signale erreichten eine Datenübertragungsrate von 55 Terabit pro Sekunde. „Dies entspricht mehr als fünf Milliarden Telefongesprächen oder mehr als zwei Millionen HDTV-Kanälen“, erklärt Koos. „Es ist die höchste Datenrate, die bislang mit einer Frequenzkammquelle im Chip-Format erreicht wurde.“

Schneller, billiger und energiesparender

Mit dieser neuen Technik könnte das zurzeit gängige Wellenlängen-Multiplex-Verfahren (WDM) in der optischen Kommunikation wesentlich verbessert werden. „Unsere Solitonen-Kammquellen eignen sich ideal zur Datenübertragung und lassen sich kostengünstig und in großen Stückzahlen auf kompakten Mikrochips herstellen“, erklärt Tobias Kippenberg. Hinzu komme, dass die Solitonen-Frequenzkämme den Energieverbrauch der in Kommunikationssystemen drastisch reduzieren könnten.

„Leistungsfähige Transceiver im Chip-Format für zukünftige Petabit-Netzwerke rücken damit deutlich näher“, sagt Koos. (Nature, 2017; doi: 10.1038/nature22387)

(Karlsruher Institut für Technologie, 08.06.2017 – NPO)