Moderne Kommunikationsnetze nutzen optische Signale zur Übertragung großer Datenmengen. Doch ähnlich wie schwache Funksignale müssen auch diese optischen Signale verstärkt werden, um verlustfrei über große Entfernungen übertragen zu werden. Die gebräuchlichsten Verstärker, Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFAs), erfüllen diese Aufgabe seit Jahrzehnten und ermöglichen größere Übertragungsdistanzen ohne häufige Signalregeneration. Allerdings arbeiten sie in einem begrenzten Spektralbereich, was den Ausbau optischer Netze einschränkt.
Um der steigenden Nachfrage nach Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung gerecht zu werden, suchen Forscher nach Wegen, leistungsfähigere, flexiblere und kompaktere Verstärker zu entwickeln. Obwohl KI-Beschleuniger, Rechenzentren und Hochleistungsrechnersysteme immer größere Datenmengen verarbeiten, werden die Grenzen bestehender optischer Verstärker zunehmend deutlich.
Der Bedarf an Ultrabreitbandverstärkung (Verstärkern, die über einen breiteren Wellenlängenbereich arbeiten) ist dringlicher denn je. Bestehende Lösungen wie Raman-Verstärker bieten zwar einige Verbesserungen, sind aber nach wie vor zu komplex und energieintensiv.
Forscher um Tobias Kippenberg von der EPFL und Paul Seidler von IBM Research Europe – Zürich haben einen photonischen Chip-basierten parametrischen Wanderwellenverstärker (TWPA) entwickelt, der eine extrem breitbandige Signalverstärkung in einer beispiellos kompakten Bauform ermöglicht. Der neue Verstärker nutzt die Galliumphosphid-auf-Siliziumdioxid-Technologie und erzielt eine Nettoverstärkung von über 10 dB über eine Bandbreite von rund 140 nm – dreimal so breit wie ein herkömmlicher C-Band-EDFA.
Die meisten Verstärker nutzen Seltenerdelemente zur Signalverstärkung. Der neue Verstärker hingegen verwendet optische Nichtlinearität – eine Eigenschaft, bei der Licht mit einem Material interagiert und sich dadurch selbst verstärkt. Durch die präzise Entwicklung eines kleinen, spiralförmigen Wellenleiters schufen die Forscher einen Raum, in dem sich Lichtwellen gegenseitig verstärken und so schwache Signale verstärken, während das Rauschen gering bleibt. Dieses Verfahren macht den Verstärker nicht nur effizienter, sondern ermöglicht ihm auch den Betrieb über einen deutlich größeren Wellenlängenbereich – und das alles in einem kompakten, chipgroßen Gerät.
Das Team wählte Galliumphosphid aufgrund seiner außergewöhnlichen optischen Eigenschaften. Erstens weist es eine starke optische Nichtlinearität auf, was bedeutet, dass Lichtwellen, die es durchlaufen, auf eine Weise interagieren können, die das Signal verstärkt. Zweitens besitzt es einen hohen Brechungsindex, der es ermöglicht, Licht im Wellenleiter einzuschließen und so eine effizientere Verstärkung zu erzielen. Durch die Verwendung von Galliumphosphid erreichten die Wissenschaftler eine hohe Verstärkung mit einem nur wenige Zentimeter langen Wellenleiter. Dies reduziert die Größe des Verstärkers erheblich und macht ihn für optische Kommunikationssysteme der nächsten Generation praktikabel.
Die Forscher demonstrierten, dass ihr chipbasierter Verstärker eine Verstärkung von bis zu 35 dB bei gleichzeitig geringem Rauschen erreichen kann. Darüber hinaus ist er in der Lage, bemerkenswert schwache Signale zu verstärken und Eingangsleistungen über einen Bereich von mehr als sechs Größenordnungen zu verarbeiten. Diese Eigenschaften machen den neuen Verstärker äußerst vielseitig einsetzbar, beispielsweise auch jenseits der Telekommunikation, etwa in der Präzisionssensorik
Der Verstärker verbesserte auch die Leistung optischer Frequenzkämme und kohärenter Kommunikationssignale, zwei Schlüsseltechnologien in modernen optischen Netzwerken und der Photonik, und demonstrierte damit, dass diese photonischen integrierten Schaltungen herkömmliche faserbasierte Verstärkungssysteme übertreffen können.
Der neue Verstärker hat weitreichende Auswirkungen auf die Zukunft von Rechenzentren, KI-Prozessoren und Hochleistungsrechnersystemen, die von einer schnelleren und effizienteren Datenübertragung profitieren können. Die Anwendungsbereiche reichen jedoch über die Datenübertragung hinaus und umfassen optische Sensorik, Messtechnik und sogar LiDAR-Systeme für autonome Fahrzeuge.
Weitere Mitwirkende
EPFL Zentrum für Quantenwissenschaft und -technik,
IBM Research Europe - Zürich,
Förderung durch
das Forschungsprogramm Horizon 2020 der Europäischen Union (MICROCOMB)
Schweizerischer Nationalfonds (SNF)
Büro für wissenschaftliche Forschung der Luftwaffe
Referenzen:
Kuznetsov, N., Nardi, A., Riemensberger, J., Davydova, A., Churaev, M., Seidler, P., Kippenberg, TJ. Ein parametrischer Wanderwellenverstärker basierend auf einem ultrabreitbandigen photonischen Chip. Nature, 12. März 2025. DOI: 10.1038/s41586-025-08666-z
Autor: Nik Papageorgiou
Quelle: EPFL
