Datenkommunikation Miniaturisiertes Photonik-Bauteil verspricht hohe Datenbandbreite

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Die zunehmenden Datenmengen in Rechenzentren und Kommunikationsnetzen erfordern immer effizientere Übertragungstechnologien. Forscher haben einen optischen Modulator entwickelt, der auf einem kleinen Bauraum eine hohe Bandbreite liefern soll.

Die steigenden Datenmengen in Hochleistungsrechnern, Rechenzentren und Kommunikationsnetzen setzen neue Technologien voraus, um Daten effizienter, schneller und mit weniger Energieaufwand zu übertragen. An diesem Punkt setzt eine aktuelle Entwicklung der ETH Zürich an: Dort haben Forscher ein Bauteil entwickelt, das eine hohe Daten-Bandbreite bei optischen Verbindungen ermöglichen soll. Dieser Durchbruch könnte einen entscheidenden Beitrag zur Bewältigung des weltweiten Datenwachstums leisten und hat das Potenzial, zukünftige Netzwerkarchitekturen grundlegend zu verändern.

Dabei handelt es sich um plasmonische Modulatoren, winzige Bauteile, die elektrische Signale in optische Signale umwandeln, um sie über Glasfasern zu transportieren. Noch nie schaffte es ein solcher Modulator, Daten mit einer Frequenz von mehr als einem Terahertz, das sind mehr als eine Billion Schwingungen pro Sekunde, zu übertragen. Die Forscher aus der Gruppe von Jürg Leuthold, Professor für Photonik und Kommunikation an der ETH Zürich, ist genau das jetzt gelungen. Bisherige Modulatoren konnten nur Frequenzen bis 100 oder 200 GHz umwandeln, also Frequenzen, die fünf- bis zehnmal niedriger sind.

Wo große Datenmengen übertragen werden

Zum Einsatz kommen könnten solche Modulatoren überall dort, wo große Datenmengen übertragen werden, als Bindeglied zwischen der elektrischen Welt und der Datenübertragung mit Licht. „Daten liegen zunächst immer in elektrischer Form vor, und bei der Übertragung kommt heute immer irgendwo die Glasfaser ins Spiel“, erklärt ETH-Professor Leuthold.

Die nächste Mobilfunkgeneration 6G wird im Terahertz-Band arbeiten. Deren Rückgrat – die Leitungen zwischen den Basisstationen – nutzt die Glasfasertechnologie. „Unser Modulator ermöglicht es, Funksignale und andere elektrische Signale direkt und somit effizient in optische Signale umzuwandeln“, sagt Yannik Horst. Er arbeitete während seiner Doktorarbeit an dem Bauteil.

Für Medizin und Messtechnik

Die Übertragung von Terahertz-Signalen auf Glasfaser ist zwar bereits jetzt technisch möglich, aber umständlich. Es braucht dazu heute mehrere teure Bauteile. Die neuen Modulatoren können die Signale direkt umwandeln, was den Energieverbrauch reduziert und die Messgenauigkeit erhöht. Außerdem sind heute für verschiedene Frequenzbereiche unterschiedliche Bauteile nötig. Der neue Modulator kann bei jeder Frequenz von 10 MHz bis 1,14 THz eingesetzt werden. „Mit einem einzigen Bauteil decken wir den gesamten Frequenzbereich ab. Damit ist er extrem vielseitig einsetzbar“, sagt Horst.

Weitere Anwendungsmöglichkeiten sind die Glasfaser-Datenübertragung innerhalb von Hochleistungsrechenzentren und zwischen solchen Zentren. Und schließlich sind die Bauteile für die Hochleistungsmesstechnik interessant. Dazu gehören bildgebende Verfahren in der Medizin, Spektroskopiemethoden für die Materialanalyse, Gepäckscanner an Flughäfen oder die Radartechnik. Schon heute arbeiten solche Geräte teilweise im Terahertz-Bereich.

Winzige Nanostruktur aus verschiedenen Materialien

Der neue Modulator ist eine winzige Nanostruktur, die aus verschiedenen Materialien aufgebaut ist, unter anderem aus Gold. Er nutzt die Wechselwirkung von Licht mit freien Elektronen im Gold. Entwickelt wurde die Technologie an der ETH Zürich. Gebaut hat es Polariton Technologies, ein ETH-Spin-off, das aus Leutholds Gruppe hervorgegangen ist. Diese Firma arbeitet daran, die Terahertz-Modulatoren auf den Markt zu bringen, damit diese in Zukunft breit in der Datenübertragung und der Messtechnik eingesetzt werden können.

Die nun vorgestellten Ergebnisse deuten klar darauf hin, dass der Weg in Richtung optischer Hochgeschwindigkeitskommunikation weiter beschleunigt wird. Das vorgestellte Miniatur-Bauteil zeigt, wie ein technologischer Durchbruch auch von geringer Größe sein kann und dennoch enorme Auswirkungen auf Bandbreite und Energieeffizienz hat. Für Entwickler und Ingenieure eröffnen sich zusätzliche Möglichkeiten, kompakte und leistungsstarke photonische Bausteine in zukünftige Designs zu integrieren. (heh)

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