Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Kleiner, schneller, billiger – ein neuartiger Modulator für die Zukunft der Datenübertragung

27.07.2015

Zur schnellen Übertragung von grossen Datenmengen über Glasfaserkabel, wie sie das Internet erfordert, braucht man leistungsfähige Modulatoren, die elektrische Signale in optische umwandeln. ETH-Forscher haben einen Modulator entwickelt, der hundert Mal kleiner ist als handelsübliche Modelle.

Im Februar 1880 erprobte der amerikanische Erfinder Alexander Graham Bell in seinem Labor in Washington ein Gerät, das er selbst als seine grösste Errungenschaft, noch vor dem Telefon, bezeichnete: das «Photophon».


Mikromodulator aus Gold in einer elektronenmikroskopischen Aufnahme. Im Schlitz in der Bildmitte wird Licht in Plasmon-Polaritonen umgewandelt, moduliert und wieder in Lichtpulse zurückgewandelt.

Haffner et al. Nature Photonics 2015

Bells Idee, mit Hilfe von Licht gesprochene Worte über grosse Entfernungen zu übermitteln, war der Vorläufer einer Technik, ohne die das moderne Internet undenkbar wäre. Riesige Datenmengen werden heute rasend schnell in Form von Lichtpulsen durch Glasfaserkabel geschickt, wozu sie allerdings zunächst von elektrischen Signalen, mit denen Computer und Telefone arbeiten, in optische umgewandelt werden müssen.

Bei Bell war es noch ein simpler hauchdünner Spiegel, der Schallwellen in moduliertes Licht umwandelte. Heutige elektro-optische Modulatoren sind komplizierter, doch eines haben sie mit ihrem Urahn gemein: Sie sind mit einigen Zentimetern noch immer ziemlich gross, vor allem im Vergleich mit elektronischen Bauteilen, die nur einige Mikrometer messen.

In einem wegweisenden Artikel in der Fachzeitschrift «Nature Photonics» haben Juerg Leuthold, Professor für Photonik und Kommunikation, und seine Mitarbeiter nun einen neuartigen Modulator vorgestellt, der hundertmal kleiner ist und daher leicht in elektronische Schaltkreise integriert werden kann. Zudem ist er auch deutlich billiger und schneller als herkömmliche Modelle und verbraucht massiv weniger Energie.

Der Trick mit den Plasmonen

Für dieses Kunststück bedienen sich die Forscher um Leuthold und seinen Doktoranden Christian Haffner, der den Modulator in wesentlichen Teilen mitentwickelt hat, eines technischen Tricks. Um einen möglichst kleinen Modulator bauen zu können, müssen sie einen Lichtstrahl, dessen Stärke elektrisch moduliert werden soll, zunächst auf ein sehr kleines Volumen konzentrieren. Nach den Gesetzen der Optik kann ein solches Volumen aber nicht kleiner sein als die Wellenlänge des Lichts selbst. Für die Telekommunikation benutzt man heute Laserlicht mit einer Wellenlänge von eineinhalb Mikrometern, die somit eine Untergrenze für die Dimensionen des Modulators darstellt.

Um diese Grenze dennoch zu unterschreiten, wird das Licht zunächst in sogenannte Oberflächen-Plasmon-Polaritonen umgewandelt. Diese Zwitterwesen aus elektromagnetischen Feldern und Elektronen bewegen sich nahe der Oberfläche eines Metallstreifens fort. Am Ende des Metallstreifens wird aus ihnen wieder ein Lichtstrahl. Der Vorteil: Plasmon-Polaritonen lassen sich auf viel kleinerem Raum konzentrieren als das Licht, aus dem sie entstanden sind.

Brechzahl von aussen verändern

Um schliesslich die Stärke des austretenden Lichts elektrisch zu steuern und so die zur Datenübertragung nötigen Pulse zu erzeugen, nutzen die Forscher das Prinzip des Interferometers. Dabei teilt man zum Beispiel einen Laserstrahl mit Hilfe eines halbdurchlässigen Spiegels in zwei Strahlen und fügt diese mit einem anderen Spiegel wieder zusammen. Die Lichtwellen überlagern sich (sie «interferieren») und verstärken oder schwächen einander dadurch – je nachdem, wie sich ihr relativer Schwingungszustand (Phase) in den beiden Armen des Interferometers geändert hat. Eine Änderung der Phase entsteht zum Beispiel durch eine unterschiedliche Brechzahl, welche die Geschwindigkeit der Wellen bestimmt. Enthält ein Arm ein Material, dessen Brechzahl sich von aussen verändern lässt, so kann die relative Phase der beiden Wellen gesteuert und das Interferometer so als Lichtmodulator verwendet werden.

Im Modulator der ETH-Forscher sind es allerdings nicht Lichtstrahlen, sondern die Plasmon-Polaritonen, die durch einen weniger als einen Mikrometer breiten Interferometer geschickt werden. Durch Anlegen einer Spannung kann wiederum die Brechzahl und damit die Geschwindigkeit der Plasmonen in einem Arm des Interferometers verändert und so ihre Schwingungsweite (Amplitude) am Ausgang moduliert werden. Danach werden die Plasmonen wieder in Licht umgewandelt, das zur weiteren Übertragung in eine Glasfaser eingespeist wird.

Schnellere Kommunikation mit weniger Energieverbrauch

Der Modulator von Leuthold und Kollegen hat gleich mehrere Vorteile. «Er ist unglaublich klein und einfach, und zudem ist er der billigste Modulator, der je gebaut wurde», erklärt Leuthold. Tatsächlich besteht er aus einer nur 150 Nanometer dicken Goldschicht auf Glas und einem organischen Material, dessen Brechzahl sich beim Anlagen einer elektrischen Spannung ändert und damit die Plasmonen im Interferometer moduliert. Damit ist er viel kleiner als herkömmliche Lichtmodulatoren und benötigt dementsprechend sehr wenig Energie – bei einer Datenübertragungsrate von 70 Gigabit pro Sekunde nur wenige Tausendstel Watt. Dies entspricht einem Hundertstel des Verbauchs handelsüblicher Modelle.

Dadurch trägt er auch zum Umweltschutz bei, denn die Energie, die weltweit für die Datenübertragung aufgewendet wird, ist beträchtlich – Modulatoren stecken in jeder Glasfaser-Datenleitung. Jahr für Jahr müssen wachsende Datenmengen immer schneller übertragen werden, womit auch der Energieverbrauch ansteigt. Eine hundertfache Ersparnis wäre da mehr als willkommen. «Unser Modulator schafft mehr Kommunikation mit weniger Energie», bringt es der ETH-Professor auf den Punkt. Derzeit wird die Zuverlässigkeit des Modulators in Langzeittests überprüft, ein wichtiger Schritt auf dem Weg zur Anwendungsreife.

Literaturhinweis

Haffner C et al.: All-plasmonic Mach-Zehnder modulator enabling optical high-speed communication at the microscale. Nature Photonics, 27. Juli 2015, doi: 10.1038/nphoton.2015.127 [http://dx.doi.org/10.1038/nphoton.2015.127]

News und Medienstelle | ETH Zürich
Weitere Informationen:
http://www.ethz.ch

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Erforschung von Elementarteilchen in Materialien
17.01.2017 | Max-Planck-Institut für Struktur und Dynamik der Materie

nachricht Vermeintlich junger Stern entpuppt sich als galaktischer Greis
16.01.2017 | Ruhr-Universität Bochum

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Interfacial Superconductivity: Magnetic and superconducting order revealed simultaneously

Researchers from the University of Hamburg in Germany, in collaboration with colleagues from the University of Aarhus in Denmark, have synthesized a new superconducting material by growing a few layers of an antiferromagnetic transition-metal chalcogenide on a bismuth-based topological insulator, both being non-superconducting materials.

While superconductivity and magnetism are generally believed to be mutually exclusive, surprisingly, in this new material, superconducting correlations...

Im Focus: Erforschung von Elementarteilchen in Materialien

Laseranregung von Semimetallen ermöglicht die Erzeugung neuartiger Quasiteilchen in Festkörpersystemen sowie ultraschnelle Schaltung zwischen verschiedenen Zuständen.

Die Untersuchung der Eigenschaften fundamentaler Teilchen in Festkörpersystemen ist ein vielversprechender Ansatz für die Quantenfeldtheorie. Quasiteilchen...

Im Focus: Studying fundamental particles in materials

Laser-driving of semimetals allows creating novel quasiparticle states within condensed matter systems and switching between different states on ultrafast time scales

Studying properties of fundamental particles in condensed matter systems is a promising approach to quantum field theory. Quasiparticles offer the opportunity...

Im Focus: Mit solaren Gebäudehüllen Architektur gestalten

Solarthermie ist in der breiten Öffentlichkeit derzeit durch dunkelblaue, rechteckige Kollektoren auf Hausdächern besetzt. Für ästhetisch hochwertige Architektur werden Technologien benötigt, die dem Architekten mehr Gestaltungsspielraum für Niedrigst- und Plusenergiegebäude geben. Im Projekt »ArKol« entwickeln Forscher des Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern aktuell zwei Fassadenkollektoren für solare Wärmeerzeugung, die ein hohes Maß an Designflexibilität erlauben: einen Streifenkollektor für opake sowie eine solarthermische Jalousie für transparente Fassadenanteile. Der aktuelle Stand der beiden Entwicklungen wird auf der BAU 2017 vorgestellt.

Im Projekt »ArKol – Entwicklung von architektonisch hoch integrierten Fassadekollektoren mit Heat Pipes« entwickelt das Fraunhofer ISE gemeinsam mit Partnern...

Im Focus: Designing Architecture with Solar Building Envelopes

Among the general public, solar thermal energy is currently associated with dark blue, rectangular collectors on building roofs. Technologies are needed for aesthetically high quality architecture which offer the architect more room for manoeuvre when it comes to low- and plus-energy buildings. With the “ArKol” project, researchers at Fraunhofer ISE together with partners are currently developing two façade collectors for solar thermal energy generation, which permit a high degree of design flexibility: a strip collector for opaque façade sections and a solar thermal blind for transparent sections. The current state of the two developments will be presented at the BAU 2017 trade fair.

As part of the “ArKol – development of architecturally highly integrated façade collectors with heat pipes” project, Fraunhofer ISE together with its partners...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungen

Über intelligente IT-Systeme und große Datenberge

17.01.2017 | Veranstaltungen

Aquakulturen und Fangquoten – was hilft gegen Überfischung?

16.01.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Bundesweiter Astronomietag am 25. März 2017

17.01.2017 | Veranstaltungsnachrichten

Intelligente Haustechnik hört auf „LISTEN“

17.01.2017 | Architektur Bauwesen

Satellitengestützte Lasermesstechnik gegen den Klimawandel

17.01.2017 | Maschinenbau