Projekt "Terabit Optics Berlin" zur Beschleunigung der Datenübertragung
Petra Immerz
Aufbau eines Diodenlasers, wie er im Pro-
jekt „Terabit Optics Berlin“ realisiert wurde
Bild: FBH
Das Internet von Morgen ist ein Stück näher gerückt. Acht Partner aus Industrie und Forschung haben jüngst das Projekt „Terabit Optics Berlin“ erfolgreich beendet. Mit dabei auch das Ferdinand Braun Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) und das Weierstraß Institut für Angewandte Analysis und Stochastik (WIAS). Am WIAS legten die Wissenschaftler die mathematischtheoretischen Grundlagen für die Entwicklung neuartiger Komponenten. Das FBH beschäftigte sich mit der Herstellung von Hochleistungslasern für die optische Datenübertragung. Gemeinsam haben sie in den letzten drei Jahren an der Steigerung der Datenübertragungsrate auf bis zu einige Terabit pro Sekunde gearbeitet. Das ist etwa eine Million Mal schneller als ein Standard-DSL-Anschluss. Das Projekt wurde vom Zukunftsfonds der Technologiestiftung Berlin und aus EFRE-Mitteln gefördert.
Im Rahmen des nun abgeschlossenen Projektes hat das FBH in Berlin-Adlershof neuartige Hochleistungs-Diodenlaser entwickelt, die im Wellenlängenbereich um 980 Nanometer emittieren. Derartige Laser sind nötig, um die zur Datenübertragung in Glasfasern benutzten Lichtsignale zu verstärken. Diese verlieren an Intensität aufgrund der großen Entfernungen, die sie zurücklegen, und der vielen Schaltstationen, die sie passieren. Mehr Power erhalten sie mit Hilfe von Verstärkern auf der Basis von Erbium-dotierten Glasfasern. Das Anregen der Erbium-Atome mit Laserlicht einer geeigneten Wellenlänge (beispielsweise 980 nm) überträgt quasi Energie vom Anregungs-Laser auf das sich gleichzeitig in der Glasfaser ausbreitende Signallicht. Abweichungen von der Anregungswellenlänge 980 nm werden nur in einem engen Bereich von einigen Nanometern toleriert.
Da die Emissionswellenlänge von herkömmlichen Diodenlasern mit einem Fabry-Perot-Resonator nicht genau fixiert ist, muss sie durch so genannte Bragg-Gitter auf den Wert von 980 nm stabilisiert werden. Bisher wurden dazu externe Faser-Bragg-Gitter eingesetzt. Die Vorteile der Laser mit den integrierten Bragg-Gittern bestehen darin, dass sie kleiner, stabiler und zuverlässiger sind. Bei den am FBH entwickelten Lasern wird die Wellenlänge nicht durch ein externes, sondern durch ein in den Halbleiterchip integriertes Gitter fixiert.
Mit diesem Typ von Lasern, so genannten Distributed-Feedback- (DFB) und Distributed-Bragg-Reflektor- (DBR) Lasern, hat man am FBH bereits bei anderen Wellenlängen und geringeren optischen Ausgangsleistungen große Erfolge mit Bauelementen für die Sensorik und für Atomuhren erzielt. Im Rahmen des Projektes wurde ein DFB-Laser entwickelt, der eine Ausgangsleistung von 0,7 Watt emittiert. Dies ist die größte Leistung, die weltweit bisher von einem DFB-Laser erreicht wurde.
Um die Leistung weiter zu erhöhen, integrierten die Forscher einen DBR-Laser mit einem Trapezverstärker auf einem Halbleiterchip zu einem monolithischen Master-Oscillator- Power-Amplifier (MOPA). Bei dieser Bauform wird das vom DBR-Laser emittierte Licht im Trapezverstärker so verstärkt, dass eine optische Ausgangsleistung von 10 Watt bei nahezu beugungsbegrenzter Strahlqualität erreicht wird. Auch dies ist ein Wert, der weltweit einmalig ist.
Die neu entwickelten Laser ermöglichen es, die Erbium-Atome in den entsprechend dotierten Glasfasern mit einer wesentlich größeren Lichtintensität anzuregen. Dies erlaubt unter anderem, mehr Signallichtwellenlängen im Bereich um 1,55 Mikrometer gleichzeitig zu verstärken und damit eine höhere Datenübertragungsrate zu erreichen. Weiterhin lassen sich mit den 980-Nanometer-DFB-Lasern wesentlich kompaktere Verstärker bauen, indem mehrere dieser Pumplaser, die bei sich geringfügig unterscheidenden Wellenlängen emittieren, mit Erbium-dotierten Wellenleitern kombiniert werden.
Darüber hinaus können die neuentwickelten Laser in der Analytik und in der Displaytechnik eingesetzt werden. Hierbei wird mit Hilfe nichtlinearer Kristalle die Wellenlänge des Laserlichtes halbiert, sodass kompakte Lichtquellen hoher Leistung im blau-grünen Wellenlängenbereich (450 bis 530 Nanometer) zur Verfügung stehen. Das macht sie unter anderem für zukünftige Displayanwendungen attraktiv. Die Vermarktung der Laser für solche Anwendungen hat die FBH-Ausgründung eagleyard Photonics bereits übernommen.
Im Projekt haben die FBH-Forscher Erkenntnisse gewonnen, auf die sie bei neuen Projekten zurückgreifen können, beispielsweise bei dem im Oktober startenden EU-Projekt „Brighter“. Dabei geht es unter anderem um die Frequenzverdoppelung für Displayanwendungen. Durch die im Terabit-Projekt entwickelte Trapezlasertechnologie mit integriertem Bragg-Gitter ist von Anfang an eine höhere Leistungsklasse der Laser möglich.
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