Forschung -

Kleinere, schnellere und effizientere GHz-Modulatoren

Ein Forschungsteam, bestehend aus Mitgliedern der 'City University of Hong Kong' (CityU) und der 'Harvard University' entwickelte einen winzigen on-chip Lithiumniobat-Modulator, eine wesentliche Komponente für die optoelektronische Industrie. Der Modulator ist kleiner, effizienter mit schnellerer Datenübertragung und kostengünstiger als aktuelle Versionen.

Der elektrooptische Modulator ist nur 1 bis 2 cm lang und seine Oberfläche ist verglichen mit herkömmlichen Modulatoren etwa 100 mal kleiner - und zudem hocheffizient. Die Datenbandbreite erhöht sich nunmehr von 35 GHz auf 100 GHz, bei weniger Energieverbrauch und extrem geringen optischen Verlusten.

Diese Erfindung wird den Weg für zukünftige Kommunikationsnetze ebnen, die sich durch hohe Datenübertragungsgeschwindigkeiten und geringe Verlustleistung auszeichnen. Die Forscher denken hierbei auch an quantenphotonische Funktionen.

Das Forschungsprojekt mit dem Titel "Integrated lithium niobate electro-optic modulators operating at CMOS-compatible voltages" wurde in "Nature" veröffentlicht.

Elektrooptische Modulatoren sind wichtige Komponenten in der modernen Kommunikation. Sie wandeln elektronische Hochgeschwindigkeitssignale wie in Computern in optische Signale um, bevor sie durch Glasfasern übertragen werden.

Die vorhandenen und häufig verwendeten Lithiumniobat-Modulatoren benötigen jedoch eine hohe Treiberspannung von 3 bis 5 V, die deutlich höher als 1 V ist, eine Spannung, die von einer typischen CMOS-Schaltung bereitgestellt wird. Daher wird ein elektrischer Verstärker benötigt, der das gesamte Gerät größer, teurer und energieintensiv macht.

Dr. Wang Cheng, Assistenzprofessor am 'Department of Electronic Engineering' der CityU und die Forschungsteams der Harvard University und Nokia Bell Labs entwarfen ein neues Verfahren für die Herstellung von Lithiumniobat-Modulatoren, die mit ultrahohen elektrooptischen Bandbreiten und einer mit CMOS-kompatiblen Spannung betrieben werden können.

"In Zukunft werden wir in der Lage sein, CMOS direkt neben den Modulator zu platzieren, sodass sie sich stärker integrieren lassen, bei geringerem Stromverbrauch. Der elektrische Verstärker wird nicht mehr benötigt", sagte Dr. Wang.

Dank der fortschrittlichen, vom Team entwickelten Ansätze zur Nanofertigung kann dieser Modulator winzig klein sein und doch Daten mit Übertragungsraten von bis zu 210 Gbit/s übertragen, mit etwa 10-mal geringeren optischen Verlusten als bestehende Modulatoren.

"Die elektrischen und optischen Eigenschaften von Lithiumniobat machen es zum besten Material für Modulatoren. Aber es ist sehr schwierig, dieses Material im Nanobereich zu fertigen, was die Reduzierung der Modulatorgröße begrenzt", erklärte Dr. Wang.

"Da Lithiumniobat chemisch inert ist, funktioniert das herkömmliche chemische Ätzen in diesem Fall nicht sehr gut. Während viele Experten im Allgemeinen denken, dass physikalisches Ätzen keine glatten Oberflächen erzeugen kann, was für die optische Übertragung unerlässlich ist, haben wir mit unseren neuartigen Nanofertigungstechniken das Gegenteil bewiesen."

Mit der zunehmenden globalen Verbreitung von Glasfasern werden die Größe, die Leistung, der Stromverbrauch und die Kosten von Lithiumniobat-Modulatoren zu einem immer größeren Faktor, insbesondere in einer Zeit, in der die Rechenzentren der Informations- und Kommunikationstechnologie (IKT)-Industrie voraussichtlich einer der größten Stromverbraucher der Welt sein werden.

Diese revolutionäre Erfindung ist nun auf dem Weg zur Vermarktung. Dr. Wang glaubt, dass diejenigen, die nach Modulatoren mit der besten Leistung für die Datenübertragung über weite Strecken suchen, zu den ersten gehören werden, die mit dieser Photonik-Infrastruktur in Kontakt kommen werden.

Dr. Wang begann seine Forschung in 2013, als er als Doktorand an der Harvard University (School of Engineering and Applied Sciences) seine Arbeit begann. Er kam kürzlich zur CityU und prüft gemeinsam mit dem Forschungsteam des "State Key Laboratory of Terahertz and Millimeter Waves' der CityU die Anwendungen für die kommende 5G-Kommunikation.

"Millimeterwellen werden zur Datenübertragung im freien Raum verwendet, aber zum Beispiel zu und von und innerhalb von Basisstationen, ist die Optoelektronik vorteilhafter, was ja kostengünstiger und verlustärmer ist", erklärte er. Er glaubt, dass die Erfindung auch Anwendungen in der Quantenphotonik anstoßen kann.

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