Es gibt Entdeckungen, die die Welt still und leise verändern, ohne großes Aufsehen oder donnernde Ankündigungen. Der von Forschern der Chalmers University entwickelte Laserverstärker könnte einer davon sein. Auf einem Chip von wenigen Quadratzentimetern ist es diesen schwedischen Wissenschaftlern gelungen, eine Leistung von Datenübertragung das ist zehnmal schneller als aktuelle Glasfasersysteme. Der Trick liegt in spiralförmigen Wellenleitern, die in Siliziumnitrid geätzt sind und das Laserlicht mit einer in der optischen Kommunikation noch nie dagewesenen Präzision lenken.
Ein Quantensprung in der optischen Kommunikation und Datenübertragung im Allgemeinen
Peter Andresson, Professor für Photonik an der Chalmers University, beschrieb die Bedeutung der Entdeckung ohne Umschweife Veröffentlicht auf Natur. Aktuelle Systeme arbeiten mit einer Bandbreite von etwa 30 Nanometern, während ihr Verstärker 300 Nanometer erreicht: Ein Unterschied, der die Möglichkeiten der Datenübertragung völlig verändert.
Das Geheimnis dieser Technologie liegt in der Kombination fortschrittlicher Materialien und innovativer Geometrien. Der Chip besteht aus Siliziumnitrid, einem keramischen Hochtemperaturmaterial, das mit spiralförmigen Wellenleitern integriert ist, die meterlange optische Pfade in winzigen Geräten ermöglichen. Diese mikroskopischen Spiralen lenken die Laserstrahlen, eliminieren Signalanomalien und maximieren die Effizienz der Datenübertragung.
Die Lichtgeschwindigkeit bleibt konstant, aber die erhöhte Bandbreite ermöglicht die Übertragung von zehnmal mehr Informationen in der gleichen Zeit. Ein grundlegender technischer Unterschied, der den Unterschied zwischen dem Internet von heute und dem von morgen ausmacht.
Von der Theorie zur Praxis
Die Forschung kam nicht aus dem Nichts. Andrekson und sein Team arbeiten seit über einem Jahrzehnt an dieser Technologie. Die ersten Experimente datieren auf das Jahr 2011 zurück, doch erst in den letzten vier Jahren konzentrierten sich die Forscher auf Weltraumanwendungen.
Der Verstärker arbeitet in einem Wellenlängenbereich zwischen 1.400 und 1.700 Nanometern, innerhalb des kurzwelligen Infrarotspektrums. Wie durch die offizielle Mitteilung der Chalmers University bestätigtDiese Funktion macht es nicht nur für die terrestrische Kommunikation perfekt, sondern auch für Anwendungen, bei denen schwache Signale enorme Entfernungen überwinden müssen.
Tests zeigten eine erstaunliche Leistung: Der Verstärker behielt selbst bei der Verstärkung extrem schwacher Signale eine außergewöhnliche Signalqualität bei, ein entscheidendes Merkmal für die Weltraumkommunikation, bei der jedes Photon zählt.
Die Apps, die unsere Zukunft verändern werden
Die praktischen Auswirkungen dieser Entdeckung gehen weit über die bloße Verbesserung der Internetgeschwindigkeit hinaus. Wie in früheren Forschungen zu fortschrittlichen optischen Systemen hervorgehoben, die Integration innovativer Photonik-Technologien verändert ganz unterschiedliche Branchen.
Im medizinischen Bereich würde die große Bandbreite eine präzisere Analyse und Abbildung von Geweben und Organen ermöglichen und so Früherkennung von Krankheiten. Die Möglichkeit, mit kleinen Designänderungen auch mit sichtbaren und infraroten Wellenlängen zu arbeiten, eröffnet Anwendungsszenarien in der Laserchirurgie, Spektroskopie und fortgeschrittenen Mikroskopie.
Für die Weltraumkommunikation könnte das Gerät endlich den Engpass überwinden, der die Datenübertragung von Raumsonden. Derzeit werden Daten vom Mars mit einer Geschwindigkeit von etwa 30 Kilobit pro Sekunde übertragen, im Vergleich zu den durchschnittlichen 60 Megabit des schwedischen Breitbands. ScienceDaily-Highlights dass wir mit dieser Technologie hochauflösende Bilder von nahegelegenen Planeten in angemessener Zeit übertragen könnten.
Der Weg zur Kommerzialisierung
Die Forscher integrierten mehrere Verstärker auf demselben Chip und zeigten damit, dass die Technologie leicht skalierbar ist. Der Verstärker wurde mit CMOS-kompatiblen Verfahren hergestellt, was bedeutet, dass er in denselben Fabriken hergestellt werden kann, in denen Chips für Computer und Smartphones produziert werden.
Diese Industriekompatibilität stellt einen enormen Wettbewerbsvorteil gegenüber anderen experimentellen Technologien dar, die völlig neue Herstellungsverfahren erfordern. Herkömmliche optische Verstärker, die auf Fasern mit speziellen chemischen Elementen wie Erbium oder auf Halbleitern basieren, unterliegen hinsichtlich der Miniaturisierung und Integration tatsächlich erheblichen Einschränkungen.
Durch Miniaturisierung und On-Chip-Integration sind diese Lasersysteme zugänglicher und erschwinglicher als Alternativen im Labormaßstab und ebnen den Weg für eine Massenproduktion, die den Markt für optische Kommunikation revolutionieren könnte.
Laserdatenübertragung – auf dem Weg in eine hypervernetzte Welt
Die Entdeckung der Chalmers University kommt zu einem entscheidenden Zeitpunkt. Nokia Bell Labs prognostiziert, dass sich der Datenverkehr bis 2030 verdoppeln wird, angetrieben durch künstliche Intelligenz, Streaming-Dienste und die Verbreitung intelligenter Geräte.
Andrexson hat klare Vorstellungen von der Zukunft: „Diese Technologie bietet eine skalierbare Lösung für Laser, die bei verschiedenen Wellenlängen arbeiten können und dabei praktischer, kompakter und energieeffizienter sind.“ Ein einzelnes Lasersystem auf Basis dieses Verstärkers könnte in vielen Bereichen eingesetzt werden, von der Holographie bis zur Materialcharakterisierung, von Datenübertragung zu chirurgischen Eingriffen.
Die Welt der optischen Kommunikation wird nie wieder dieselbe sein. Was bis gestern noch wie Science-Fiction schien, nimmt heute in schwedischen Universitätslaboren Gestalt an. Und vielleicht wird schon bald sogar unsere Art, mit dem Universum in Verbindung zu treten, nicht mehr dieselbe sein wie zuvor.
