Physiker der Loughborough University haben gemeinsam mit einem internationalen Team nachgewiesen, dass sich mit einem Mikrochip von der Größe eines Reiskorns ein Spektrum aus präzise beabstandeten Lichtfrequenzen erzeugen lässt, das anschließend in mehrere hochfrequente elektromagnetische Signale umgewandelt wird, die als Millimeterwellen bezeichnet werden.
Millimeterwellen stoßen im Hinblick auf die Kommunikation der Zukunft auf wachsendes Interesse, da sie eine wesentlich größere Bandbreite – also im Wesentlichen mehr Platz für die Datenübertragung – bieten; ihre Erzeugung mit der für fortschrittliche Technologien erforderlichen Präzision und Stabilität stellt jedoch nach wie vor eine Herausforderung dar.
„Die Welt wird immer datenhungriger. Wir wollen mehr Informationen schneller und in höherer Auflösung senden und empfangen, und Millimeterwellen könnten dazu beitragen, die dafür erforderliche Kapazität bereitzustellen“, sagte Dr. Luke Peters vom Emergent Photonics Research Centre der Universität Loughborough. „Sie könnten letztendlich zu schnelleren 6G-Netzen mit höherer Kapazität beitragen, doch das Potenzial geht weit über die Kommunikation hinaus. Diese Frequenzen könnten auch in Radarsystemen sowie in spektroskopischen und astronomischen Instrumenten genutzt werden und Wissenschaftlern dabei helfen, Materialien zu untersuchen und äußerst präzise Messungen des Universums vorzunehmen. Diese Anwendungen sind noch in weiter Ferne, und es gibt Herausforderungen zu bewältigen, bevor die Technologie in realen Systemen eingesetzt werden kann – doch unsere jüngste Arbeit hat eine der größten davon gemeistert.“
Eine Möglichkeit, Millimeterwellen zu erzeugen, ist der Einsatz eines Mikrokamms – eines hochpräzisen Spektrums von Lichtfrequenzen, das ähnlich wie die Farben eines Regenbogens angeordnet ist, für das menschliche Auge jedoch unsichtbar ist. Diese Lichtfrequenzen lassen sich mithilfe einer speziellen Antenne in Millimeterwellen umwandeln. In früheren Studien wurden Mikrokämme verwendet, um eine einzelne, präzise Millimeterwellenfrequenz zu erzeugen. Die gleichzeitige Erzeugung mehrerer Frequenzen könnte mehrere Kanäle für die gleichzeitige Datenübertragung eröffnen – doch dafür ist ein außergewöhnlich klarer und stabiler Mikrokamm erforderlich.
Mit Glasfaserschleife zum präzisen Frequenzspektrum
In einem neuen Artikel hat das von Loughborough geleitete Team genau das demonstriert. Es hat ein System entwickelt, das einen stabilen, hochwertigen Mikrokamm erzeugt, der gleichzeitig in mehrere präzise beabstandete Millimeterwellenfrequenzen umgewandelt werden kann. Der Schlüssel liegt in der Art und Weise, wie das Team seinen Mikrokamm erzeugt. Mikrokämme werden typischerweise erzeugt, indem Laserlicht in einen Mikroresonator geleitet wird – eine winzige Struktur auf einem Mikrochip, die Licht einfängt und zirkulieren lässt.
Das Design aus Loughborough funktioniert anders: Es kombiniert den chipbasierten Mikroresonator mit einer größeren Glasfaserschleife und schafft so ein System, in dem das Laserlicht kontinuierlich durch beide zirkuliert. „Wir haben im Grunde einen unglaublich präzisen und stabilen ‚Regenbogen auf einem Chip‘ geschaffen, bei dem die Schleife das Licht immer wieder durch den Chip zurückleitet, sodass sich diese Zustände effizient aufbauen, von selbst entstehen und auch dann stabil bleiben, wenn das System gestört wird“, sagte Dr. Peters. „Es ist zudem bemerkenswert robust. Wir haben sogar Leute neben dem System auf und ab springen lassen, und der Mikrokamm blieb stabil.“
In ihrer jüngsten Studie zeigte das Team zudem, dass es den „Regenbogen“ des Mikrokamms steuern und bestimmte Frequenzen verstärken oder abschwächen konnte. Entscheidend war, dass sich die Präzision und Stabilität des Mikrokamms auch auf die von ihm erzeugten Millimeterwellen-Signale übertrug.
„Die Möglichkeit, einzelne Frequenzen zu verstärken oder abzuschwächen, gibt uns viel mehr Kontrolle über die von uns erzeugten Signale, da unterschiedliche Anwendungen unterschiedliche Frequenzkombinationen erfordern“, sagte Dr. Peters. „Ebenso wichtig ist, dass wir gezeigt haben, dass sich die Präzision des Mikrokamms auf die Millimeterwellen überträgt. Das verschafft uns eine ganze Reihe hochpräziser Signale, und genau das braucht man für Anwendungen, bei denen Genauigkeit und Stabilität entscheidend sind. Das gleiche Maß an Präzision ist auch für die Zeitmessung von großem Wert. Präzise Zeitmessung bildet den Kern aufkommender Quantentechnologien, bei denen extreme Genauigkeit eine Grundvoraussetzung ist.“
Kompakte Technik für Satelliten und mobile Systeme
Die Forscher untersuchen nun, wie ihre Mikrokamm-Technologie über das Labor hinaus eingesetzt werden könnte. Während der Mikrochip, der das Herzstück bildet, etwa so groß wie ein Reiskorn ist, handelt es sich bei dem kompletten System derzeit um eine Laboranlage im Tischformat. Zukünftige Versionen könnten noch kompakter und energieeffizienter sein – möglicherweise so klein, dass sie in einen Schuhkarton passen.
Das Team ist besonders daran interessiert zu untersuchen, ob die Technologie eines Tages in Satelliten eingesetzt werden könnte, wo Größe, Gewicht und Energieverbrauch eine wichtige Rolle spielen.
Präzisionszeitmessung für Quantentechnologien
Die Forscher untersuchen zudem, wie genau ihre Mikrokamm-Anordnung sein könnte. Das Team testet sie im Vergleich zu Präzisionsuhren und erforscht in Zusammenarbeit mit dem National Physical Laboratory mögliche Anwendungen in den Bereichen Zeitmessung, Navigation und Positionsbestimmung. Dabei ist es ein integraler Bestandteil der Bemühungen des National Physical Laboratory und des UK Hub for Quantum Enabled Position, Navigation and Timing (QEPNT).
„Wir sind sehr gespannt darauf, wie weit wir die Präzision und Stabilität dieser Mikrokämme noch steigern können, insbesondere für Technologien, die auf eine äußerst genaue Zeitmessung angewiesen sind“, sagte Dr. Antonio Cutrona, der die Stabilitätsmessungen an den Mikrokämmen leitete.
„Wir hoffen, dass diese Studie und unser System neue Wege eröffnen, um die außergewöhnliche Präzision von Atomuhren in kompaktere Technologien für Zeitmessung, Navigation und Positionsbestimmung zu integrieren, und es ist besonders spannend, diese Möglichkeiten im Rahmen unserer umfassenden Zusammenarbeit mit dem National Physical Laboratory und dem UK Hub for Quantum Enabled Position, Navigation and Timing zu erkunden.“
