Neuer Rekord in der Datenübertragung mit einem einzigen Laser und einem einzigen optischen Chip

Eine internationale Gruppe von Forschern der Technical University of Denmark (DTU) und der Chalmers University of Technology in Göteborg, Schweden, hat schwindelerregende Datenübertragungsgeschwindigkeiten erreicht und ist weltweit die erste, die mehr als 1 Petabit pro Sekunde (Pbit/s) nur mit ein einzelner Laser und ein einzelner optischer Chip.

1 Petabit entspricht 1 Million Gigabit.

Im Experiment gelang es den Forschern, 1,8 Pbit/s zu übertragen, was dem Doppelten des gesamten weltweiten Internetverkehrs entspricht. Und nur vom Licht einer Lichtquelle getragen. Die Lichtquelle ist ein speziell entwickelter optischer Chip, der das Licht eines einzigen Infrarotlasers verwenden kann, um ein Regenbogenspektrum mit vielen Farben, dh vielen Frequenzen, zu erzeugen. Somit kann die eine Frequenz (Farbe) eines einzelnen Lasers in einem einzigen Chip in Hunderte von Frequenzen (Farben) multipliziert werden.

Alle Farben sind in einem bestimmten Frequenzabstand zueinander fixiert – genau wie die Zähne eines Kamms –, weshalb es sich um einen Frequenzkamm handelt. Jede Farbe (oder Frequenz) kann dann isoliert und zum Prägen von Daten verwendet werden. Die Frequenzen können dann wieder zusammengesetzt und über eine Glasfaser gesendet werden, wodurch Daten übertragen werden. Sogar eine riesige Datenmenge, wie die Forscher herausgefunden haben.

Ein einziger Laser kann Tausende ersetzen

Die experimentelle Demonstration zeigte, dass ein einzelner Chip problemlos 1,8 Pbit/s übertragen könnte, was – mit moderner kommerzieller Ausrüstung – ansonsten mehr als 1.000 Laser erfordern würde.

Victor Torres Company, Professor an der Chalmers University of Technology, leitet die Forschungsgruppe, die den Chip entwickelt und hergestellt hat.

„Das Besondere an diesem Chip ist, dass er einen Frequenzkamm mit idealen Eigenschaften für die faseroptische Kommunikation erzeugt – er hat eine hohe optische Leistung und deckt eine breite Bandbreite innerhalb des Spektralbereichs ab, der für fortgeschrittene optische Kommunikation interessant ist“, sagt Victor Torres Company .

Interessanterweise wurde der Chip nicht für diese spezielle Anwendung optimiert.

„Tatsächlich wurden einige der charakteristischen Parameter durch Zufall und nicht durch Design erreicht“, sagt Victor Torres Company. „Mit den Bemühungen meines Teams sind wir jetzt jedoch in der Lage, den Prozess zurückzuentwickeln und Mikrokämme mit hoher Reproduzierbarkeit für Zielanwendungen in der Telekommunikation zu erzielen.“

Enormes Skalierungspotential

Darüber hinaus erstellten die Forscher ein Rechenmodell, um das grundlegende Potenzial für die Datenübertragung mit einem einzigen Chip, der mit dem im Experiment verwendeten identisch ist, theoretisch zu untersuchen. Die Berechnungen zeigten ein enormes Potenzial zur Skalierung der Lösung.

Professor Leif Katsuo Oxenløwe, Leiter des Center of Excellence for Silicon Photonics for Optical Communications (SPOC) an der DTU, sagt:

„Unsere Berechnungen zeigen, dass wir mit dem einzelnen Chip der Chalmers University of Technology und einem einzigen Laser bis zu 100 Pbit/s übertragen können. Der Grund dafür ist, dass unsere Lösung skalierbar ist – sowohl in Bezug auf viele Frequenzen zu erzeugen und den Frequenzkamm in viele räumliche Kopien aufzuteilen und sie dann optisch zu verstärken und sie als parallele Quellen zu verwenden, mit denen wir Daten übertragen können.Obwohl die Kammkopien verstärkt werden müssen, verlieren wir nicht die Qualitäten der Kamm, den wir zur spektral effizienten Datenübertragung nutzen.“

So packen Sie Licht in Daten

Das Verpacken von Licht mit Daten wird als Modulation bezeichnet. Dabei werden die Welleneigenschaften des Lichts ausgenutzt wie:

Indem Sie diese Eigenschaften ändern, erstellen Sie Signale. Die Signale können entweder in Einsen oder Nullen übersetzt – und somit als Datensignale verwendet werden.

Reduziert den Stromverbrauch des Internets

Die Lösung der Forscher verheißt Gutes für den zukünftigen Stromverbrauch des Internets.

„Mit anderen Worten, unsere Lösung bietet das Potenzial, Hunderttausende von Lasern zu ersetzen, die sich in Internet-Hubs und Rechenzentren befinden, die alle Strom fressen und Wärme erzeugen. Wir haben die Möglichkeit, zu einem Internet beizutragen, das ein kleineres Klima hinterlässt Fußabdruck“, sagt Leif Katsuo Oxenløwe.

Auch wenn die Forscher bei ihrer Demonstration die Petabit-Grenze für eine einzelne Laserquelle und einen einzelnen Chip durchbrochen haben, ist laut Leif Katsuo Oxenløwe noch einige Entwicklungsarbeit erforderlich, bevor die Lösung in unsere derzeitigen Kommunikationssysteme implementiert werden kann.

„Weltweit wird daran gearbeitet, die Laserquelle in den optischen Chip zu integrieren, und auch daran arbeiten wir. Je mehr Komponenten wir in den Chip integrieren können, desto effizienter wird der gesamte Sender, d.h , Laser, Kammerzeugungschip, Datenmodulatoren und beliebige Verstärkerelemente. Es wird ein äußerst effizienter optischer Übermittler von Datensignalen sein“, sagt Leif Katsuo Oxenløwe.

Die Forschung ist veröffentlicht in Naturphotonik.