Ultrabreitband-Photonikchip verstärkt optische Signale

Moderne Kommunikationsnetze sind auf optische Signale angewiesen, um grosse Datenmengen zu übertragen. Doch genau wie ein schwaches Radiosignal müssen diese optischen Signale verstärkt werden, damit sie über weite Strecken ohne Informationsverluste übertragen werden können. Die gebräuchlichsten Verstärker, die Erbium-dotierten Faserverstärker (EDFAs), erfüllen diesen Zweck seit Jahrzehnten und ermöglichen längere Übertragungsdistanzen, ohne dass eine häufige Signalregeneration erforderlich ist. Allerdings arbeiten sie mit einer begrenzten spektralen Bandbreite, was den Ausbau optischer Netze einschränkt.

Um die wachsende Nachfrage nach Hochgeschwindigkeitsdatenübertragungen zu befriedigen, haben Forschende nach Möglichkeiten gesucht, leistungsfähigere, flexiblere und kompaktere Verstärker zu entwickeln. Obwohl KI-Beschleuniger, Rechenzentren und Hochleistungscomputersysteme immer grössere Datenmengen verarbeiten, werden die Grenzen der vorhandenen optischen Verstärker immer deutlicher.

Der Bedarf an Ultrabreitband-Verstärkern – Verstärkern, die über einen größeren Wellenlängenbereich arbeiten – ist dringender denn je. Bestehende Lösungen, wie z. B. Raman-Verstärker, bieten zwar eine gewisse Verbesserung, sind aber immer noch zu komplex und energieaufwändig.

Nun haben Forschende um Tobias Kippenberg von der EPFL und Paul Seidler von IBM Research Europe -Zürich einen photonischen Chip-basierten parametrischen Wanderwellenverstärker (TWPA) entwickelt, der eine Ultrabreitband-Signalverstärkung in einer noch nie dagewesenen kompakten Form erreicht. 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 – dreimal breiter als ein herkömmlicher C-Band-EDFA.

Die meisten Verstärker verwenden Seltene-Erden-Elemente, um Signale zu verstärken. Stattdessen nutzt der neue Verstärker die optische Nichtlinearität – eine Eigenschaft, bei der Licht mit einem Material interagiert, um sich selbst zu verstärken. Durch die sorgfältige Gestaltung eines winzigen spiralförmigen Wellenleiters schufen die Forschenden einen Raum, in dem sich Lichtwellen gegenseitig verstärken und schwache Signale verstärken, während das Rauschen gering gehalten wird. Durch diese Methode wird der Verstärker nicht nur effizienter, sondern kann auch in einem viel breiteren Wellenlängenbereich arbeiten – und das alles in einem kompakten Gerät in Chipgrösse.

Das Team wählte Galliumphosphid wegen seiner aussergewöhnlichen optischen Eigenschaften. Erstens weist es eine starke optische Nichtlinearität auf, was bedeutet, dass Lichtwellen, die es durchqueren, auf eine Weise interagieren können, die die Signalstärke erhöht. Zweitens hat es einen hohen Brechungsindex, der es ermöglicht, das Licht eng im Wellenleiter zu bündeln, was zu einer effizienteren Verstärkung führt. Durch die Verwendung von Galliumphosphid erzielten die Wissenschaftler eine hohe Verstärkung mit einem nur wenige Zentimeter langen Wellenleiter, wodurch der Platzbedarf des Verstärkers erheblich reduziert und er für optische Kommunikationssysteme der nächsten Generation praktikabel wurde.

Die Forschenden wiesen nach, dass ihr chipbasierter Verstärker eine Verstärkung von bis zu 35 dB bei geringem Rauschen erreichen kann. Ausserdem konnten bemerkenswert schwache Signale verstärkt werden, wobei der Verstärker Eingangsleistungen von mehr als sechs Grössenordnungen verarbeiten konnte. Diese Eigenschaften machen den neuen Verstärker für eine Vielzahl von Anwendungen jenseits der Telekommunikation geeignet, z. B. für die Präzisionssensorik.

Der Verstärker verbesserte auch die Leistung von optischen Frequenzkämmen und kohärenten Kommunikationssignalen – zwei Schlüsseltechnologien in modernen optischen Netzen und in der Photonik – und zeigte, dass solche photonischen integrierten Schaltungen herkömmliche faserbasierte Verstärkungssysteme übertreffen können.

Der neue Verstärker hat weitreichende Auswirkungen auf die Zukunft von Rechenzentren, KI-Prozessoren und Hochleistungscomputersystemen, die alle von einer schnelleren und effizienteren Datenübertragung profitieren können. Und die Anwendungen reichen über die Datenübertragung hinaus, bis hin zu optischer Sensorik, Messtechnik und sogar LiDAR-Systemen, die in selbstfahrenden Fahrzeugen eingesetzt werden.