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Es sieht so aus, als würden Photonen die Elektronen bei unzähligen Aufgaben ersetzen, da sie sich schneller bewegen und weniger Energie verbrauchen. Diese winzigen Lichtteilchen haben ausserdem den zusätzlichen Vorteil, dass sie überraschend flexibel sind – ihr Frequenzbereich ist 1000 bis 10 000 Mal grösser als der von Elektronen. Wenn Sie also Licht statt Elektrizität zur Manipulation von Mikrowellen verwenden, haben Sie eine viel grössere Bandbreite, mit der Sie arbeiten können. Besonders nützlich ist die Photonik in Kommunikationssystemen, im Internet der Dinge und bei der Strahlformung, einer Signalverarbeitungsmethode, die in Antennensystemen zum Einsatz kommt. Aber im Moment können Mikrowellen-Photoniksysteme noch keine Lichtpulse auf Computerchips erzeugen – eine Entwicklung, die die Chips umweltfreundlicher, billiger und praktischer in der Anwendung machen würde. Forschende des Photonics Systems Lab der EPFL haben auf diesem Gebiet gerade einen grossen Durchbruch erzielt: Sie haben rekonfigurierbare Radiofrequenzfilter entwickelt, die hochwertige Mikrowellen erzeugen können, ohne dass ein sperriges externes Gerät benötigt wird. Indem sie Interferenzen zwischen zwei Impulsen innerhalb eines Mikrokamms erzeugten, waren sie in der Lage, die Impulse genau zu steuern, um die ausgehende Radiofrequenz neu zu konfigurieren. Die Ergebnisse der Forschenden wurden kürzlich in Nature Communications veröffentlicht.
Integration einer Lichtquelle in einen Chip
Ein photonischer Mikrowellenfilter wandelt eine eingehende Radiofrequenz in ein optisches Signal um, das dann von einem photonischen Gerät verarbeitet werden kann, um Informationen zu extrahieren. Ein Photorezeptor wandelt das Signal dann wieder in eine Radiofrequenz um. Bereits im April gelang es Forschenden eines anderen EPFL-Labors, des K-Labors, verschiedene Arten von Mikrokämmen auf einem Siliziumnitrid-Chip zu erzeugen, um qualitativ hochwertige Soliton-Impulssignale zu erzeugen. Es musste nur noch gezeigt werden, dass die Pulssignale zur Rekonfiguration der Mikrowellen verwendet werden können und dass das System genauso flexibel, linear, spektral rein und rauschfrei ist wie die bisherigen, sperrigen Geräte – genau darauf haben die Forschenden im Photonics Systems Lab den Chip optimiert.
Die Technologie, die in diesen Chips, die kleiner als eine Münze sind, verwendet wird, basiert darauf, wie das Licht mit der Umgebung interagiert. Die Wellenlänge des Signals kann entweder durch Variation der Lichtquelle oder durch Änderung der Form oder des Materials des optischen Kanals, den es durchläuft, verändert werden. «Die Verwendung einer Lichtquelle, die mehrere Wellenlängen kombinieren kann, bedeutet, dass wir die Struktur des Filters recht einfach halten können», erklärt Camille Brès, die das Photonics Systems Lab leitet. «Wenn wir die Frequenz durch Änderung des Lichtimpulses neu konfigurieren können, brauchen wir den physikalischen Träger nicht zu ändern.» Die wichtigste Errungenschaft der Forschenden bestand darin, dass sie in der Lage waren, die Lichtgeneratoren in Laptop-Grösse durch optische Miniatur-On-Chip-Resonatoren zu ersetzen, die Laserpulse zur Erzeugung perfekter Solitonen verwenden.
Änderung der ausgehenden Frequenz
Damit diese Filter in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden können, müssen sie auch in der Lage sein, die ausgehende Radiofrequenz zu verändern. «Stromfilter erfordern programmierbare Impulsformen, um die ausgehende Frequenz einzustellen und die Wellenqualität zu verbessern, was die Systeme komplex und schwer vermarktbar macht», sagt Jianqi Hu, Doktorand im Photonics Systems Lab und Hauptautor der Studie. Um dieses Hindernis zu überwinden, erzeugten die Forschenden On-Chip-Interferenzen zwischen zwei Solitonen – indem sie den Winkel zwischen ihnen veränderten, konnten sie die Filterfrequenz neu konfigurieren. Dieser Durchbruch bedeutet, dass diese Systeme vollständig tragbar gemacht und mit 5G- und Terahertz-Wellen verwendet werden können.