Neue metamaterialbasierte Strategie zur Kombination und Übertragung mehrerer Lichtmodi

In den letzten Jahren kam es zu einem massiven Anstieg der pro Sekunde übertragenen und verarbeiteten Datenmenge. Schnell aufkommende Technologien wie hochdimensionale Quantenkommunikation, große neuronale Netze und Hochleistungsnetze erfordern große Bandbreiten und hohe Datenübertragungsgeschwindigkeiten. Ein plausibler Weg, dies zu erreichen, besteht darin, die herkömmlichen Metalldrähte zwischen den Komponenten eines elektronischen Systems durch optische Verbindungen zu ersetzen, dh Licht anstelle von Elektrizität zu verwenden, um Kanäle für die Datenübertragung einzurichten.

Optische Verbindungen können über eine Technik, die als Mode-Division-Multiplexing (MDM) bekannt ist, unglaublich hohe Geschwindigkeiten ermöglichen. Dank präzise gestalteter Strukturen, sogenannter Wellenleiter, kann sich Licht in bestimmten Mustern, sogenannten „Moden“, ausbreiten. Da sich mehrere Modi gleichzeitig im selben Medium ausbreiten können, ohne sich gegenseitig zu stören, fungieren sie effektiv als separate Datenkanäle und erhöhen so die Gesamtdatenübertragungsrate des Systems.

Allerdings war die Geschwindigkeit der bisher gemeldeten MDM-Systeme begrenzt, hauptsächlich aufgrund der Unvollkommenheiten bei der Geräteherstellung, die zu Schwankungen des Brechungsindex der Wellenleiter führen. Eine Möglichkeit, die Unvollkommenheiten zu mildern, besteht darin, die Brechungsindizes der Wellenleiter durch Optimierung der Struktur und Zusammensetzung sorgfältig anzupassen. Leider sind die derzeit verfügbaren Methoden entweder durch die Materialauswahl oder den daraus resultierenden großen Schaltkreis-Footprint begrenzt.

Vor diesem Hintergrund versuchte ein Forschungsteam um Professor Yikai Su von der Shanghai Jiao Tong University in China, einen neuen Ansatz zur Kopplung (oder Kombination) verschiedener Lichtmodi zu entwickeln. Wie in ihrer Studie berichtet veröffentlicht in Fortgeschrittene PhotonikDas Team setzte diese Technik erfolgreich in einem MDM-System ein und erreichte beispiellose Datenraten.

Der Hauptschwerpunkt der Forschung ist ein innovatives Design für einen Lichtmoduskoppler, eine Struktur, die einen bestimmten Lichtmodus manipulieren kann, der in einem nahegelegenen Buswellenleiter wandert, beispielsweise einem Nanodraht, der das gesamte Multimode-Signal überträgt. Der Koppler kann einen gewünschten Lichtmodus in den Buswellenleiter einspeisen oder einen davon extrahieren und ihn auf einen anderen Pfad senden.

Die Forscher passten den Brechungsindex des Kopplers so an, dass er bei Vorliegen von Herstellungsfehlern in einem weiten Bereich des Kopplungsbereichs stark mit dem gewünschten Lichtmodus interagierte und so einen hohen Kopplungskoeffizienten realisierte. Dies erreichten sie durch die Nutzung eines Gradientenindex-Metamaterial-Wellenleiters (GIM).

Im Gegensatz zu üblichen Materialien wies das GIM einen Brechungsindex auf, der sich kontinuierlich entlang der Ausbreitungsrichtung des Lichts änderte. Dies wiederum erleichterte einen nahtlosen und effizienten Übergang einzelner Lichtmodi zum und vom Nanodrahtbus, indem die Parameterschwankungen der Wellenleiter abgeschwächt wurden.

Durch die Kaskadierung mehrerer Koppler schufen die Forscher ein 16-Kanal-MDM-Kommunikationssystem, das 16 verschiedene Lichtmodi – TE0 bis TE15 – gleichzeitig unterstützte. In einem Datenübertragungsexperiment wurde eine Datenübertragungsrate von 2,162 Tbit/s erreicht, der höchste jemals gemeldete Wert für ein On-Chip-Gerät, das mit einer einzelnen Wellenlänge arbeitet.

Darüber hinaus wurde das System mit Methoden hergestellt, die mit der Herstellung von Halbleiterbauelementen kompatibel sind, wie etwa Elektronenstrahllithographie, Plasmaätzen und chemische Gasphasenabscheidung. Dadurch war das Design leicht skalierbar und mit der derzeit verfügbaren Fertigungstechnologie kompatibel.

Insgesamt könnte die vorgeschlagene Kopplungsstrategie unter Verwendung einer GIM-Struktur zu einer dringend benötigten Steigerung der Datenraten führen, insbesondere in Bereichen, in denen parallele Datenübertragungen und Berechnungen in großem Maßstab üblich sind. Dies könnte zu neuen Maßstäben in den Bereichen Hardwarebeschleunigung, große neuronale Netze und Quantenkommunikation führen.