Optisk kommunikation med rekordhøj hastighed via soliton frekvenskamme genereret i optiske mikroresonatorer

Optiske solitoner er specielle bølgepakker, der forplanter sig uden at ændre deres form. Inden for optisk kommunikation, solitoner kan bruges til at generere frekvenskamme med forskellige spektrallinjer, som gør det muligt at realisere særligt effektive og kompakte optiske kommunikationssystemer med høj kapacitet. Dette blev for nylig demonstreret af forskere fra KIT's Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) og Institute of Microstructure Technology (IMT) sammen med forskere fra EPFL's Laboratory of Photonics and Quantum Measurements (LPQM).

Som rapporteret i Natur , forskerne brugte siliciumnitrid mikroresonatorer, der nemt kan integreres i kompakte kommunikationssystemer. Inden i disse resonatorer, solitoner cirkulerer kontinuerligt, genererer således bredbånds optiske frekvenskamme. Sådanne frekvenskamme, som John Hall og Theodor W. Hänsch blev tildelt Nobelprisen i fysik for i 2005, består af et væld af spektrallinjer, som er justeret på et almindeligt ækvidistant gitter. Traditionelt, frekvenskamme fungerer som optiske referencer med høj præcision til måling af frekvenser. Såkaldte Kerr-frekvenskamme har store optiske båndbredder sammen med ret store linjeafstande, og er særligt velegnede til datatransmission. Hver enkelt spektrallinje kan bruges til at sende en separat datakanal.

I deres eksperimenter, forskerne fra Karlsruhe og Lausanne brugte to sammenflettede frekvenskamme til at transmittere data på 179 individuelle optiske bærere, som fuldstændigt dækker de optiske telekommunikations C- og L-bånd og tillader en transmission af data med en hastighed på 55 terabit i sekundet over en afstand på 75 kilometer. "Dette svarer til mere end fem milliarder telefonopkald eller mere end to millioner HD-tv-kanaler. Det er den højeste datahastighed, der nogensinde er nået ved brug af en frekvenskamkilde i chipformat, " forklarer Christian Koos, professor ved KIT's IPQ og IMT og modtager af et Starting Independent Researcher Grant fra European Research Council (ERC) for sin forskning i optiske frekvenskamme.

Komponenterne har potentiale til at reducere lyskildens energiforbrug i kommunikationssystemer drastisk. Grundlaget for forskernes arbejde er optiske siliciumnitridmikroresonatorer med lavt tab. I disse, den beskrevne soliton-tilstand blev for første gang genereret af arbejdsgruppen omkring professor Tobias Kippenberg ved EPFL i 2014. Forklarer fordelene ved tilgangen, Professor Kippenberg siger, "Vores soliton kamkilder er ideelle til datatransmission og kan produceres i store mængder til lave omkostninger på kompakte mikrochips." Solitonen dannes gennem såkaldte ikke-lineære optiske processer, der opstår på grund af den høje intensitet af lysfeltet i mikroresonatoren. Mikroresonatoren pumpes kun gennem en kontinuerlig bølgelaser, hvorfra ved hjælp af soliton, hundredvis af nye ækvidistante laserlinjer genereres. Kamkilderne bringes i øjeblikket til anvendelse af en spin-off af EPFL.

Værket udgivet i Natur viser, at mikroresonator soliton-frekvenskamkilder kan øge ydeevnen af ​​bølgelængdedelingsmultipleksing (WDM)-teknikker betydeligt i optisk kommunikation. WDM gør det muligt at transmittere ultrahøje datahastigheder ved at bruge et væld af uafhængige datakanaler på en enkelt optisk bølgeleder. Til denne ende, informationen er kodet på laserlys af forskellige bølgelængder. For sammenhængende kommunikation, mikroresonator soliton frekvens kamkilder kan bruges ikke kun ved senderen, men også på modtagersiden af ​​WDM-systemer. Kamkilderne øger skalerbarheden af ​​de respektive systemer dramatisk og muliggør meget parallel sammenhængende datatransmission med lys. Ifølge Christian Koos, dette er et vigtigt skridt hen imod højeffektive chip-skala transceivere til fremtidige petabit-netværk.