Lichtkamm für die Datenkommunikation getrimmt

Information könnte sich mit Hilfe von elektrooptischen Frequenzkämmen künftig effizienter übertragen lassen

4. Juli 2019

Der Datentransport im Netz könnte künftig effizienter werden. Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für die Physik des Lichts und der Universität Otago in Neuseeland haben eine Voraussetzung dafür geschaffen, große Datenmengen mit weniger Energie durch Glasfasern zu übertragen. Sie haben eine Technik entwickelt, mit der sie optische Frequenzkämme von besonders hoher Qualität erzeugen können. In einem Frequenzkamm reihen sich in regelmäßigem Abstand scharfe Linien unterschiedliche Lichtfarbe wie Zähne eines Kamms aneinander. Mit der neuen Methode, Lichtkämme zu erzeugen, könnten sich die steigenden Datenmengen im Internet bewältigen und die Kosten für die Übertragung senken lassen.

Für jede Farbe ein Zinken: In einem Frequenzkamm wird Laserlicht in viele verschiedene Linien aufgespalten. Ein elektrooptischer Effekt macht es effizienter, ihn zu erzeugen – das könnte sich für die Datenübertragung ausnutzen lassen.

Wenn wir surfen oder telefonieren, müssen Daten blitzschnell von einem Ort zum anderen gelangen. Glasfaserkabel, in denen sich die Daten mit Lichtgeschwindigkeit übertragen lassen, sind dafür die Technik der Wahl. Heute bereits schicken hunderte Laser unterschiedlicher Farbe Daten parallel durch so ein Kabel. Jede Farbe dient dabei als eigener Kanal, sodass verschiedene Informationen in Lichtblitzen mit unterschiedlichen Farben verpackt parallel durch die Leitung flitzen können. Ein Frequenzkamm erlaubt dies mit wesentlich weniger Energieaufwand und über größere Entfernungen.

In den bisherigen Systemen können dabei allerdings optische Effekte auftreten, die das Signal verzerren. Wenn die Effekte jedoch genau bekannt und quantifiziert sind, lässt sich aus dem beschädigten Lichtblitz seine ursprüngliche Form berechnen. Um das ursprüngliche Signal rekonstruieren zu können, muss das Licht des Frequenzkamms kohärent sein. Das bedeutet vereinfacht ausgedrückt, dass die Lichtwellen des Kamms in einem bestimmten Muster zueinander schwingen müssen. Den Forschern am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts und an der Universität Otago ist es nun gelungen, optische Frequenzkämme mit dieser Eigenschaft zu erzeugen. Ihre Technik arbeitet zudem bei niedrigerer Leistung, wäre also kostengünstiger.

Der Frequenzkamm entsteht in einer optischen Flüstergalerie

Die Wissenschaftler erzeugen den Frequenzkamm, indem sie Licht und Mikrowellen in einem kleinen Lithiumniobat-Kristall miteinander wechselwirken lassen. Der Kristall ist elektrooptisch aktiv, seine optischen Eigenschaften verändern sich also unter dem Einfluss eines elektrischen Feldes. Das elektrische Feld der Mikrowellen beeinflusst auf diese Weise die Lichtwellen, weil diese sich in dem Kristall mit den veränderten optischen Eigenschaften anders verhalten. „Dadurch werden aus ursprünglich einer optischen Frequenz viele weitere optische Frequenzen erzeugt“, erklärt Gerd Leuchs, Direktor am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts. „Die benachbarten Frequenzen haben dann alle einen festen Abstand zueinander, der gerade der Mikrowellenfrequenz entspricht.“

Seine besondere Qualität erhält dieser Frequenzkamm durch den Kristall. „Das ist ein relativ kompaktes Teil, dessen Außenseite rund abgeschliffen ist“, erläutert Harald Schwefel von der Universität Otago, der mehrere Jahre gemeinsam mit Gerd Leuchs am Max-Planck-Institut für die Physik des Lichts geforscht hat. „Wenn darin Licht rumläuft, wird es durch Totalreflektion im Kristall gehalten.“ Dieser Effekt einer Flüstergalerie ist vor allem aus der Akustik bekannt: Wenn Schallwellen an den Wänden eines runden Raums fast vollständig reflektiert werden, können sich Menschen, die nahe an der Wand stehen, im Flüsterton über verhältnismäßig große Distanzen unterhalten. Im Kristall können die Wellen durch diesen Effekt den runden Kristall mehrfach umkreisen und er wird zu einem so genannten Flüstergalerie Resonator. Wenn nun Mikrowellen auf das Licht in der Flüstergalerie wirken, verlässt es den Kristall in Form eines kohärenten Frequenzkamms.

Der große Vorteil: Frequenzkämme bei niedrigen Leistungen

Weil der Kristall so klein ist und der Effekt der Flüstergalerie das Licht verstärkt, werden die Wellen auf kleinstem Raum gebündelt. Deshalb erreicht das austretende Licht auch bei verhältnismäßig kleinen Leistungen der eingestrahlten Wellen hohe Intensitäten. Diese wiederum steigern die elektrische Feldstärke, welche die Anzahl der Linien des Frequenzkammes beeinflusst. So beobachteten die Forscher in ihrem Experiment fast 200 Linien. „Der große Vorteil ist, dass das in dieser kohärenten Weise schon bei niedrigen Leistungen passiert“, sagt Harald Schwefel. „Frequenzkämme für die optische Kommunikation gibt es schon, aber nicht unbedingt in dieser Qualität.“

Eine Technik, die mit geringem Energieaufwand kohärente Frequenzkämme erzeugt, gibt es jetzt also. Weltweit suchen Forschungsgruppen nun nach Methoden, mit denen sie aus einem verzerrten Lichtblitz in Echtzeit das ursprüngliche Signal berechnen können. Sobald sie fündig geworden sind, steht einem effizienteren Datentransport durch Glasfasern nicht mehr viel im Weg.

NB

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