Forschung -

Bahnbrechende Entwicklung für die Internetkommunikation

Ein Wissenschaftlerteam (University of Otago/Dodd-Walls Centre) entwickelte ein neuartiges Bauelement, das die nächste Internetgeneration schneller und energieeffizienter gestalten könnte. Die bahnbrechenden Ergebnisse wurden in "Nature" veröffentlicht.

Das Internet ist weltweit einer der größten Energieverbraucher. Da sich die Datenkapazität voraussichtlich jedes Jahr verdoppeln wird und die physische Infrastruktur zur Codierung und Verarbeitung von Daten an ihre Grenzen stößt, besteht ein enormer Druck, neue Lösungen zur Steigerung der Geschwindigkeit und Kapazität des Internets zu finden.

Die Forschung von Dr. Harald Schwefel und Dr. Madhuri Kumari fand nunmehr eine Lösung zu diesem Problem. Sie entwickelten einen Mikroresonator, einen optischen Frequenzkamm, der aus einer winzigen Kristallscheibe besteht.

Der Mikroresonator verwandelt die einzelne Farbe eines Laserlichts in einen Regenbogen mit 160 verschiedenen Frequenzen - die Strahlen sind völlig synchron miteinander und perfekt stabil.

Der Resonator könnte Hunderte von energiehungrigen Lasern ersetzen, die derzeit zum Codieren und Senden von Daten in der ganzen Welt verwendet werden.

Die Arbeit entstand aus Dr. Schwefels früheren Forschungen am renommierten Max-Planck-Institut in Deutschland und seiner Zusammenarbeit mit Dr. Alfredo Rueda, der einen Teil der Vorarbeiten leistete.

Das Internet wird mit Lasern betrieben. Jede E-Mail, jeder Handyanruf und jeder Website-Besuch wird in Daten kodiert und per Laserlicht um die Welt geschickt. Um mehr Daten über eine einzelne Glasfaser zu übertragen, werden die Informationen in verschiedene Lichtfrequenzen aufgeteilt, die sich parallel übertragen lassen.

"Laser emittieren immer nur eine Farbe. Das bedeutet, wenn eine Anwendung viele verschiedene Farben auf einmal benötigt, benötigt man viele Laser. Sie alle kosten Geld und verbrauchen Energie. Die Idee dieser neuen Frequenzkämme ist es, dass man eine Farbe in den Mikroresonator einführt und eine ganze Reihe neuer Farben herauskommt", sagte Dr. Kumari.

"Es ist ein wirklich cooles Energiesparsystem", so Dr. Schwefel, "denn es ersetzt ein ganzes Lasergestell mit einem kleinen energieeffizienten Element."

Er erwartet, dass die Geräte in subozeanischen Landestationen integriert werden, wo alle Informationen von landgestützten Fasern in die wenigen subozeanischen Fasern eingespeist werden, die in weniger als einem Jahrzehnt, vielleicht innerhalb weniger Jahre, verfügbar sind.

"Um das Bauelement für die Telekommunikationsindustrie zu entwickeln, müssen wir mit großen Telekommunikationsunternehmen zusammenarbeiten", erklärte Dr. Schwefel. "Wir haben den Prozess durch die Zusammenarbeit mit einem neuseeländischen Unternehmen für optische Technologien eingeleitet."

Dieser Durchbruch ist der erste Meilenstein einer staatlich geförderten Zusammenarbeit zwischen Wissenschaftlern der 'University of Otago' und der 'University of Auckland', die Mitglieder des Dodd-Walls Centre for Quantum and Photonic Technologies sind - einer virtuellen Organisation, die die besten neuseeländischen Forscher aus den Bereichen Licht und Quantenwissenschaft vereint.

Das Forschungsprojekt wurde mit fast einer Million Dollar an Marsden-Fondsgeldern ausgezeichnet, um das Potenzial von Mikroresonator-Frequenzkämmen zu entwickeln und zu testen.

Die optischen Frequenzkämme basieren auf einem sehr ungewöhnlichen optischen Effekt, der entsteht, wenn die Lichtintensität ein extrem hohes Niveau erreicht.

Wenn man eine einzige Farbe des sichtbaren Lichts zusammen mit einem Mikrowellensignal in die Kristallscheibe sendet, und da die Kristallscheibe so hochwertig ist, wird das Licht und die Mikrowellenstrahlung im Inneren eingeschlossen.

Die Licht- und Mikrowellenstrahlung strömt immer wieder ein und springt im Kristallinnern umher. In den meisten Situationen ändert das Licht nie die Farbe, aber in diesem Fall wird die Intensität so hoch, dass das Licht und die Mikrowellenstrahlung zu verschmelzen beginnen und verschiedene Farben erzeugen. Dieses Phänomen ist als nicht linearer Effekt bekannt und das Team brauchte viele Jahre, um es zu optimieren.

Die einzige andere Gruppe auf der Welt, die Bauelemente von konkurrierender Qualität herstellt, ist eine Zusammenarbeit der Universitäten Harvard und Stanford in den USA, deren Bericht ebenfalls in "Nature" veröffentlicht wurde.

Aber derzeit halten die Doktoren Schwefel und Kumari den Rekord für das effizienteste Bauelement. Das bedeutet im Wesentlichen, dass ihre Kristalle kein Licht verlieren.

Der Trick ist die Verwendung eines extrem hochwertigen Kristalls. Haralds Gruppe besteht aus weltweit tätigen Experten für die Herstellung von Kristallscheiben, und zwar im Labor der University of Otago.

Das Internet ist nur eine der möglichen Anwendungen für die neuen optischen Frequenzkämme. Eine weitere Anwendung ist die hochpräzise Spektroskopie - mit Laserlicht zur Untersuchung und Identifizierung der chemischen Zusammensetzungen, der Eigenschaften und der Strukturen von Materialien einschließlich Krankheiten, Sprengstoffen und Chemikalien. Dr. Kumaris nächste Mission wird es sein, auch diese Anwendungen zu untersuchen.

"Das ist ein sehr spannendes Projekt, an dem wir arbeiten", sagte Dr. Kumari. "Optische Frequenzkämme haben buchstäblich jedes Anwendungsgebiet revolutioniert, das für sie infrage kommt. Man kann sie auch für die Schwingungsspektroskopie, Entfernungsmessungen und die Telekommunikation einsetzen."

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