Daten schneller, Geräte sparsamer: Stanfords Rezept mit Licht
Stanford-Physiker entwickeln einen optischen Verstärker, der Licht 100-fach verstärkt, kaum Strom braucht und keine Bandbreite verliert.
Nahaufnahme eines optischen Verstärkerchips, ähnlich dem in dieser Studie beschriebenen, der im Labor des Stanford-Physikers Amir Safavi-Naeini entwickelt wird. Ein rotes Laserlicht strahlt aus einer Glasfaser auf der linken Seite, um die Ausrichtung der Faser zum Chip zu erleichtern.
Foto: Jim Gensheimer for Stanford University
Ohne Licht geht in der digitalen Welt nicht viel. Datenströme rasen durch Glasfasern, verbinden Rechenzentren, Smartphones und Satelliten. Doch je dichter diese Netze werden, desto größer wird ein Problem: Lichtsignale verlieren auf ihrem Weg an Stärke. Optische Verstärker gleichen das aus. Bislang brauchen kleine Geräte dafür jedoch viel Energie. Ein Team der Stanford University zeigt nun, dass es auch anders geht.
Physikerinnen und Physiker aus Stanford haben einen optischen Verstärker entwickelt, der Lichtsignale etwa 100-fach verstärkt. Dabei kommt er mit wenigen hundert Milliwatt Leistung aus und verliert keine Bandbreite. Das Bauteil ist kaum größer als eine Fingerspitze. Beschrieben ist das System in der Fachzeitschrift Nature.
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Warum optische Verstärker zum Engpass werden
Optische Verstärker arbeiten ähnlich wie Audioverstärker. Sie nehmen ein schwaches Signal auf und erhöhen seine Intensität. In der Praxis kostet das Strom. Besonders kompakte Verstärker, wie sie für Chips oder mobile Geräte nötig wären, gelten als ineffizient. Hinzu kommt ein weiteres Problem: Beim Verstärken entsteht Rauschen. Das verschlechtert die Signalqualität und begrenzt die Datenrate.
Genau hier setzt der neue Ansatz aus Stanford an. Ziel war es, Leistung zu sparen, ohne Kompromisse bei Bandbreite oder Signalreinheit einzugehen.
Energie wird nicht verschwendet, sondern wiederverwendet
Der Verstärker nutzt ein sogenanntes Pumplicht. Dieses zusätzliche Licht liefert die Energie, mit der das Nutzsignal verstärkt wird. Normalerweise geht ein Großteil dieser Energie verloren. Das Team um Amir Safavi-Naeini hat das Prinzip umgedreht.
„Wir haben zum ersten Mal einen wirklich vielseitigen, stromsparenden optischen Verstärker vorgestellt, der über das gesamte optische Spektrum hinweg funktioniert und so effizient ist, dass er auf einem Chip integriert werden kann“, sagte Safavi-Naeini. „Das bedeutet, dass wir jetzt viel komplexere optische Systeme bauen können als bisher möglich war.“
Der Schlüssel liegt in einem Resonanzdesign. Das Pumplicht läuft in einem winzigen Resonator im Kreis, vergleichbar mit einer Rennbahn. Bei jeder Runde baut sich seine Intensität weiter auf. Die Energie bleibt im System und steht mehrfach zur Verfügung. So erreicht der Verstärker hohe Leistung, ohne ständig neue Energie zuführen zu müssen.
Weniger Rauschen, mehr Bandbreite
Ein zweiter Vorteil zeigt sich bei der Signalqualität. Optische Verstärker fügen dem Signal fast immer Rauschen hinzu. Das Stanford-System kommt sehr nah an das physikalische Minimum heran. Gleichzeitig deckt es ein breiteres optisches Spektrum ab als viele bestehende Lösungen.
Das ist für die Datenkommunikation entscheidend. Mehr Bandbreite bedeutet, dass mehr Informationen parallel übertragen werden können. Weniger Rauschen senkt die Fehlerrate. Beides zusammen erhöht die Kapazität von Glasfasern, ohne neue Kabel zu verlegen.
Leistungsdaten, die den Einsatz erweitern
Die Verstärkung liegt bei rund dem Faktor 100. Der Energiebedarf beträgt nur einige hundert Milliwatt. Für optische Verstärker dieser Größe ist das ungewöhnlich wenig. Genau das macht neue Einsatzfelder realistisch.
„Durch die Wiederverwertung der Energie der Pumpe, die diesen Verstärker antreibt, haben wir ihn effizienter gemacht, ohne dass dies zu Lasten seiner anderen Eigenschaften geht“, sagte Devin Dean, Co-Erstautor der Studie.
Der geringe Strombedarf erlaubt einen Batteriebetrieb. Damit rücken Anwendungen außerhalb klassischer Rechenzentren in den Fokus.
Perspektiven für Chips, Sensoren und mobile Geräte
Durch seine kompakte Bauweise lässt sich der Verstärker direkt in photonische Chips integrieren. Solche Chips verarbeiten Daten nicht mit Elektronen, sondern mit Licht. Sie gelten als wichtige Ergänzung zur klassischen Elektronik, vor allem bei hohen Datenraten.
„Wenn man das schafft, sind die Möglichkeiten wirklich sehr vielfältig, da sie so klein sind, dass man sie in Massenproduktion herstellen und mit Batterien betreiben kann“, sagte Dean. „Sie könnten potenziell für die Datenkommunikation, die Biosensorik, die Herstellung neuer Lichtquellen oder eine Vielzahl anderer Dinge verwendet werden.“
Langfristig könnten solche Verstärker in Laptops oder sogar Smartphones landen. Auch präzise Sensoren, etwa in der Medizintechnik oder Umweltmessung, würden von rauscharmen, effizienten Lichtquellen profitieren.
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