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Neuer Lichtsender erreicht 180 Gigabit pro Sekunde ohne optischen Isolator
Schutzbauteil eingespart: Optische Sender brauchen normalerweise einen Isolator, damit zurückgeworfenes Licht den Laser nicht aus dem Takt bringt. Ein neu entwickelter Prototyp arbeitet auch ohne dieses Bauteil stabil und erzeugt Signale mit bis zu 180 Gigabit pro Sekunde. Möglich wird dies durch die gezielte Abstimmung von Laserfilter und Lichtmodulator.
Tokio (Japan). Die Datenströme zwischen Rechenzentren wachsen, angetrieben durch Cloud-Dienste und Anwendungen künstlicher Intelligenz. Für ihre Glasfaserverbindungen werden schnelle, möglichst kompakte optische Sender benötigt. Darin erzeugt ein Laser das Licht, während ein Modulator elektrische Datensignale auf dieses Licht überträgt.
Doch je enger beide Bauteile miteinander verbunden werden, desto stärker können störende Rückreflexionen ins Gewicht fallen. Ein Teil des Lichts gelangt dann vom Modulator zum Laser zurück und kann dessen Schwingung destabilisieren. Üblicherweise blockiert deshalb ein optischer Isolator das rückwärts laufende Licht, benötigt aber zusätzlichen Platz im Sender.
Forscher der Waseda University um Prof. Tomohiro Kita haben nun einen optischen Sender entwickelt, der ohne einen solchen Isolator stabil arbeitet. Dafür kombinierten sie einen abstimmbaren Laser mit einem schnellen Lichtmodulator aus dünnem Lithiumniobat. Im Laser wählen zwei ringförmige Resonatoren aus Siliziumnitrid die gewünschte Lichtwellenlänge aus.
Die beiden Resonatoren wirken gemeinsam als sogenannter Vernierfilter, der nur bestimmte Wellenlängen bevorzugt. Im Modulator sitzt zudem ein asymmetrisches Mach-Zehnder-Interferometer, dessen Durchlässigkeit von der Wellenlänge abhängt. Indem beide optischen Eigenschaften aufeinander abgestimmt werden, lassen sich störende Nebenmoden unterdrücken und die Rückwirkungen reflektierten Lichts auf den Laser verringern.
„Diese Architektur eröffnet einen vielversprechenden Weg zu kompakten optischen Sendern ohne Isolator für photonische integrierte Schaltkreise der nächsten Generation und optische Hochgeschwindigkeits-Kommunikationssysteme“, erklärt Tomohiro Kita.
Im Versuch ließ sich die Wellenlänge des Lasers von 1529,1 bis 1595,8 Nanometern einstellen, also über einen Bereich von rund 67 Nanometern. Dabei blieb seine Lichtaussendung auch ohne aktive Temperaturregelung stabil. Der breite Abstimmbereich ist für die parallele Übertragung verschiedener Lichtkanäle über eine Glasfaser interessant.
Für den Geschwindigkeitstest steuerte das Team den Modulator mit einer elektrischen Spannung von rund 0,6 Volt an. So erzeugte das Bauteil ein binäres optisches Signal mit 180 Gigabit pro Sekunde, der höchsten im Versuch untersuchten Datenrate. Ein sogenanntes Augendiagramm zeigte, dass die Lichtzustände selbst bei diesem Tempo klar unterscheidbar blieben.
Eine digitale Signalverarbeitung zur nachträglichen Korrektur der Wellenform war dafür nicht nötig. Das ist für die mögliche Energieeffizienz wichtig, weil solche Korrekturschaltungen zusätzliche elektrische Leistung benötigen. Der Test belegt allerdings zunächst die schnelle Modulation im Labor und noch keine vollständige Rechenzentrumsverbindung.
Ohne den zusätzlichen Isolator könnte der optische Sender kleiner und einfacher aufgebaut werden. Zugleich sprechen die niedrige Ansteuerspannung und der Betrieb ohne aktive Temperaturregelung für ein mögliches Einsparpotenzial. Die große Auswahl an Wellenlängen könnte zudem helfen, mehrere Datenkanäle auf einer Glasfaser unterzubringen.