Photonischer Prozessor

Lichtübertragung vom »LWL-Käfig« befreit

12. Juli 2022, 7:30 Uhr | Heinz Arnold
Der photonische Chip ist auf der grünen Leiterplatte links auf der goldenen Fläche zu sehen.
Der photonische Prozessor ist auf der grünen Leiterplatte links auf der goldenen Fläche zu sehen.
© Politecnico Milano

Ein neuer photonischer Prozessor kann die Übertragungskapazität von Licht durch den freien Raum um Größenordnungen erhöhen und die Übertragung mit Licht revolutionieren.

Lichtstrahlen im Raum interferieren und in welcher Form sie empfangen werden, lässt sich kaum berechnen. Jetzt haben Forscher herausgefunden, wie sie sich in ihre ursprüngliche Form zurückverwandeln lassen, was die Übertragungskapazität kabelloser optischer Systeme um Faktoren verbessert. 

Dazu haben Wissenschaftler des Politecnico di Milano, der Stanford University, der Scuola Superiore Sant'Anna in Pisa und der University of Glasgow einen programmierbaren photonischen Prozessor auf einem Silizium-Chip entwickelt, der eine Fläche von 5 mm² einnimmt. Der Prozessor empfängt die Lichtstrahlen über eine Vielzahl von winzigen optischen Antennen, die auf dem Chip integriert sind. Zudem befinden sich auf dem Chip integrierte Interferometer, die die Lichtstrahlen so manipulieren, dass die Interferenzen aufgehoben werden und die ursprünglichen Strahlen auf verschiedene optische Fasern verteilt werden können. Damit lässt sich die Übertragungskapazität gegenüber heutigen kabellosen Hochleistungssystemen um den Faktor 100 auf 5000 GHz steigern. 

Warum ist das wichtig? Das übergreifende Ziel besteht darin, überall und zu jeder Zeit die Kommunikation zwischen Personen untereinander, zwischen Personen und Geräten sowie zwischen den Geräten mit hohen Übertragungsraten zu ermöglichen, ob im Auto, während des Sports oder an den entlegensten Orten der Welt. Dafür wäre die kabellose Übertragung von Informationen durch den freien Raum prinzipiell die nächstliegende Technik. 

Doch bisher war das nicht möglich, denn die Übertragung von Informationen mit Hilfe von Lichtstrahlen funktioniert im freien Raum nicht so einfach wie über Lichtwellenleiter. Wie in Lichtwellenleitern breiten sich Lichtstrahlen auch im Raum in verschiedenen Moden aus. Jede dieser Moden kann Informationen übertragen. Je mehr Moden sich erzeugen, manipulieren und empfangen lassen, umso höher die Übertragungskapazität. 

Doch im freien Raum stellen sich den Lichtstrahlen Hindernisse in den Weg und verschiedene Stoffe in der Atmosphäre sowie einfach nur Windströmungen entlang des Weges können die Moden ändern. Außerdem interferieren sie untereinander. Ergebnis: Auf den ersten Blick scheint es unmöglich, ihre ursprüngliche Form wieder herzustellen, sie scheinen für die Übertragung von Informationen nicht geeignet zu sein.  

Das ändert sich jetzt allerdings: Mit ihrem speziellen optischen Prozessor konnten die Forscher diese Schwierigkeiten umgehen, wie Francesco Morichetti, Leiter des Photonic Devices Lab am Politecnico di Milano, erklärt: »Eine Besonderheit des Prozessors besteht darin, dass er sich sehr einfach selber konfigurieren kann – keinerlei Steuermechanismen sind dafür erforderlich. Damit lässt er sich skalieren und er kann dann sehr viele Lichtstrahlen parallel verarbeiten. Außerdem kann er in Echtzeit die Effekte von sich bewegenden Hindernissen und atmosphärische Turbulenzen ausgleichen. So lassen sich optimale optische Verbindungen herstellen und aufrecht erhalten.«

Zudem eröffnen sich viele weitere Anwendungsmöglichkeiten in unterschiedlichen Bereichen für die neue Technik. Dazu zählten hochpräzise Systeme für die Positionierung und Lokalisierung von selbstfahrenden Fahrzeugen, Sensoren, etwa für die Erkennung entfernter Objekte, sowie portable und tragbare Geräte für Augmented Reality. Außerdem könnten die Prozessoren neue Forschungstechniken in der Biomedizin ermöglichen, wie Andrea Melloni, Direktor der Polifab am Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien des Politecnico di Milano, erklärt. 

Integrierte photonische Chips bieten insgesamt die Möglichkeit, riesige Informationsmengen verarbeiten zu können. An der Erforschung dieser Technik beteiligen sich die Scuola Sant’Anna zusammen mit dem Inphotec und anderer italienischer Forschungsinstitute, einschließlich der Polifab. Marc Sorel, Professor of Electronics am TeCIP Institute (Telecommunications, Computer Engineering, and Photonics Institute) der Scuola Superiore Sant'Anna, ist überzeugt, dass die sich daraus ergebenden Synergien Italien in eine führende Position in den photonischen Technologien bringen, die Einsatz in der Kommunikation, in Sensoren und der Biomedizin finden. 

Anbieter zum Thema

zu Matchmaker+

Das könnte Sie auch interessieren

Verwandte Artikel

elektroniknet