Chip-baserede frekvenskamme skal øge internettets kapacitet

Internettets energiforbrug er i dag eksponentielt stigende. Innovation og nye banebrydende teknologier er derfor nødvendige for at reducere mængden af internettets energislugende komponenter. Samtidig skal de komponenter, som anvendes i datacentrenes teknik, være i stand til at klare en fordobling af båndbredden for at holde trit med den stadigt voksende internettrafik.

Nu har forskere fra DTU Fotonik slået sig sammen med forskere, innovationseksperter og virksomheder fra flere europæiske lande for at udvikle en banebrydende chipbaseret laser-frekvenskam med ultrahøj båndbredde, som kan øge netværkskapaciteten og samtidig kræver mindre energi. Projektet er støttet af Horizon 2020 FET Open med 21 mio. kr.

”En frekvenskam er et instrument, som skaber meget korte lyspulser ved hjælp af en laser og kan måle bølgelængder med op til 15 decimalers nøjagtighed. Den høje nøjagtighed betyder, at den kan bruges i for eksempel atomure og GPS-enheder og finde bred anvendelse til overførsel af data,” siger Haiyan Ou, der er lektor på DTU Fotonik og koordinator for Horizon-2020-projektet: 'CMOS compatible and ultra broadband on-chip SiC frequency comb' (CMOS-kompatibel og ultra-bredbånds-SiC frekvenskam, SiComb).

”I SiComb-projektet vil vi vise, hvordan en chipbaseret frekvenskam kan øge kapaciteten i et kommunikationsnetværk, der håndterer datatrafik med hastigheder over 100 Tb/s. Ved hjælp af en frekvenskam er vi også i stand til at erstatte tusinder af standardlasere med kun én enkelt i datacentre, og det vil spare enorme mængder energi.”

DTU Fotonik vil udvikle den teknologiske chip-enhed, og projektpartnerne hjælper med at udvikle chipmaterialet og implementere den optiske enhed i et konkret netværk for at teste det.

Bæredygtigt og billigt materiale 
Frekvenskam-teknikken er ret ny. Den blev introduceret i sin fuldt fungerende form i år 2000 og blev opdaget af Hall og Hänsch, der blev tildelt halvdelen af Nobelprisen i fysik i 2005 for deres bidrag til udviklingen af laserbaseret præcisions-spektroskopi, herunder denne optiske frekvenskam-teknik.

”Indtil nu har frekvenskamme været baseret på fysisk store lasere med et højt energiforbrug. På grund af deres pris, størrelse og strømforbrug har de derfor mest være brugt i laboratorier. Vi udvikler en optisk frekvenskam på en chip ved hjælp af det billige materiale siliciumkarbid," siger Haiyan Ou.

”Det vil være første gang, at en optisk chipbaseret frekvenskam fremstilles af det bæredygtige energieffektive materiale siliciumkarbid. Sammenlignet med frekvenskamme lavet af andre materialer såsom AlGaAs og lithiumniobat er siliciumkarbid langt mere bæredygtigt. Det er både miljøvenligt, biokompatibelt og holder længere. Desuden er det CMOS-kompatibelt, hvilket betyder, at frekvenskammene kan fremstilles ved hjælp af de samme metoder, der bruges til den traditionelle silicium-elektronik, og kan derfor blive billige at producere.”

Frekvenskamme kan erstatte tusinder af lasere
I et typisk datacenter er der cirka 64 lasere, som hver kan sende 100 gigabit per sekund. Hver af disse lasere og deres komponenter bruger strøm. Målet med SiComb-projektet er at erstatte dem med én enkelt laser for at spare energi og reducere kontrol- og tilsynsomkostningerne.

”Den chip, vi skal bygge, fordeler lyset fra laseren ud i frekvenskammen. Hver tand i kammen svarer til hver sin infrarøde farve, som data kan sendes gennem, og på den måde kan et enkelt fiberkabel bære mange forskellige datasignaler,” siger Haiyan Ou.

Ud over at øge kapaciteten i netværk vil den nye siliciumkarbid-baserede optiske chip også kunne anvendes inden for andre videnskabelige og tekniske områder som f.eks. kvanteoptik, kvanteberegning, sensing og billeddannelse.

”Vi forventer, at vores forskning også vil føre til mere sikre og skalerbare integrerede kvantenetværk baseret på disse nye optiske chips. Da siliciumkarbid er biokompatibelt, kan det også bruges til nye typer biosensorer der kan revolutionere metoder til medicinsk diagnose,” siger Haiyan Ou.