Foto: Gestapelte Makroaufnahme eines aus Galliumphosphid hergestellten Photonenchips mit mehreren spiralförmigen Wellenleitern und anderen Teststrukturen. Die Breite des Chips beträgt nur 0,55 cm. Aufgrund der starken Kerr-Nichtlinearität von Galliumphosphid, des hohen Brechungsindex und der vernachlässigbaren Zwei-Photonen-Absorption ermöglicht der Chip eine äußerst effiziente optische parametrische Verstärkung und Frequenzumwandlung in den Kommunikationsbändern S, C und L. Kredit: Nikolai Kuznetsov (EPFL).
Moderne Kommunikationsnetzwerke sind für die Übertragung großer Datenmengen auf optische Signale angewiesen. Doch genau wie ein schwaches Funksignal müssen diese optischen Signale verstärkt werden, um große Entfernungen ohne Informationsverlust zu überbrücken. Die gängigsten Verstärker, die sogenannten Erbium-dotierten Faserverstärker (EDFA), dienen diesem Zweck seit Jahrzehnten und ermöglichen längere Übertragungsstrecken, ohne dass das Signal häufig regeneriert werden muss. Allerdings arbeiten sie in einer begrenzten spektralen Bandbreite, was den Ausbau von optischen Netzwerken einschränkt.
Um der steigenden Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung gerecht zu werden, haben Wissenschaftler nach Wegen gesucht, leistungsfähigere, flexiblere und kompaktere Verstärker zu entwickeln. Doch obwohl KI-Beschleuniger, Rechenzentren und Hochleistungscomputersysteme immer größere Datenmengen verarbeiten, werden die Grenzen der heutigen optischen Verstärker immer offensichtlicher.
Der Bedarf an sehr breitbandigen Verstärkern, d. h. an Verstärkern, die über einen größeren Wellenlängenbereich arbeiten, ist dringender denn je. Bestehende Lösungen wie Raman-Verstärker bieten zwar einige Verbesserungen, sind aber immer noch zu komplex und energieintensiv.
Nun haben Forscherinnen und Forscher unter der Leitung von Tobias Kippenberg von der EPFL und Paul Seidler von IBM Research Europe-Zürich einen parametrischen Wanderwellenverstärker (TWPA) auf der Basis eines photonischen Chips entwickelt, der eine sehr breitbandige Signalverstärkung in einer noch nie dagewesenen kompakten Form ermöglicht. Unter Verwendung der Galliumphosphid-auf-Siliziumdioxid-Technologie erreicht der neue Verstärker eine Nettoverstärkung von mehr als 10 dB über eine Bandbreite von etwa 140 nm, was dreimal so breit ist wie ein herkömmlicher EDFA im C-Band.
Die meisten Verstärker verlassen sich auf Elemente aus seltenen Erden, um die Signale zu verstärken. Der neue Verstärker nutzt stattdessen die optische Nichtlinearität, eine Eigenschaft, bei der Licht mit einem Material interagiert, um sich zu verstärken. Durch die sorgfältige Gestaltung eines winzigen, spiralförmigen Wellenleiters haben die Forscherinnen und Forscher einen Raum geschaffen, in dem sich die Lichtwellen gegenseitig verstärken und so schwache Signale verstärken und gleichzeitig das Rauschen begrenzen. Diese Methode macht den Verstärker nicht nur effizienter, sondern ermöglicht es ihm auch, in einem viel größeren Wellenlängenbereich zu arbeiten - und das alles in einem kompakten Gerät von der Größe eines Chips.
Das Team entschied sich für Galliumphosphid aufgrund seiner außergewöhnlichen optischen Eigenschaften. Erstens weist es eine hohe optische Nichtlinearität auf, was bedeutet, dass die Lichtwellen, die es durchlaufen, so interagieren können, dass die Signalstärke erhöht wird. Zweitens hat es einen hohen Brechungsindex, wodurch das Licht eng im Wellenleiter eingeschlossen wird und somit eine effektivere Verstärkung erzielt werden kann. Durch die Verwendung von Galliumphosphid erreichten die Wissenschaftler eine hohe Verstärkung mit einem Wellenleiter von nur wenigen Zentimetern Länge, was den Fußabdruck des Verstärkers erheblich verringerte und ihn praktisch für optische Kommunikationssysteme der nächsten Generation macht.
Die Forscherinnen und Forscher haben nachgewiesen, dass ihr Chip-Verstärker eine Verstärkung von 35 dB erreichen konnte, während das Rauschen gering blieb. Außerdem konnten bemerkenswert schwache Signale verstärkt werden, da der Verstärker Eingangsleistungen bewältigen kann, die sechs Größenordnungen abdecken. Diese Eigenschaften machen den neuen Verstärker hochgradig anpassungsfähig für eine Vielzahl von Anwendungen jenseits der Telekommunikation, z. B. für die Präzisionsdetektion.
Der Verstärker verbesserte auch die Leistung von optischen Frequenzkämmen und kohärenten Kommunikationssignalen, zwei Schlüsseltechnologien in modernen optischen Netzwerken und der Photonik, und zeigte, dass solche photonischen integrierten Schaltungen herkömmliche faserbasierte Verstärkungssysteme übertreffen können.
Der neue Verstärker hat weitreichende Auswirkungen auf die Zukunft von Datenzentren, KI-Prozessoren und Hochleistungscomputersystemen, die alle von einer schnelleren und effizienteren Datenübertragung profitieren können. Die Anwendungen reichen über die Datenübertragung hinaus bis hin zu optischer Erfassung, Messtechnik und sogar LiDAR-Systemen, die in autonomen Fahrzeugen zum Einsatz kommen.
