Optische Datenübertragung mit 128 Gigabits pro Sekunde

Niemand überträgt aktuell schneller optische Daten mithilfe eines einzigen Chips als Forscher des Heinz Nixdorf Instituts (HNI) der Universität Paderborn: 128 Gigabits pro Sekunde – das sind 16 Gigabyte, 3.200 MP3-Dateien oder 6.000 Bilder pro Sekunde.

Mit einem kürzlich entwickelten Empfängerchip hat die Fachgruppe Schaltungstechnik des HNI im März einen Weltrekord im Bereich der optischen Datenübertragungsgeschwindigkeit aufgestellt: Der auf Silizium-Photonik-Technologie basierende Chip konnte die Datenrate des bisher schnellsten Chips in dieser Technologie mehr als verdoppeln und setzt damit einen neuen Maßstab. Der Weltrekord wurde von der wissenschaftlichen Fachgesellschaft „Optical Society America“ (OSA) anerkannt.

Unter Anleitung von Prof. Dr.-Ing. Christoph Scheytt wurde der Chip maßgeblich von Christian Kress und Sergiy Gudyriev entwickelt. Die Messungen wurden unter Leitung von Prof. Dr. Christian Koos im Institute of Photonics and Quantum Electronics (IPQ) des Karlsruher Instituts für Technologie (KIT) durchgeführt.

Die Silizium-Photonik-Forschung wird vor allem durch die weltweit steigende Nachfrage nach schnellen Netzwerkverbindungen für Mega-Datencenter angetrieben. Große Technologieunternehmen wie Google, Amazon oder Microsoft errichten Lagerhallen, die mit Serversystemen gefüllt werden und immer mehr zu Knotenpunkten einer globalen Informations- und Kommunikations-Infrastruktur werden. Die optische Datenübertragung ist hier besonders interessant, da sie im Vergleich zu kupferbezogenen Netzwerkstandardlösungen höhere Reichweiten, Datenraten sowie geringere Verzögerungszeiten und verbesserte Energieeffizienz bietet. Die Paderborner Technologie hat im Vergleich zu anderen Glasfasersystemen eine bessere Kosten- und Flächeneffizienz.

Die hochentwickelte Prozesstechnik im Bereich Silizium bietet zusammen mit der Möglichkeit, photonische (lichtbasierte) und elektronische Komponenten auf einem einzelnen Chip zu integrieren, die gewünschte Präzision bei günstigerer Produktion gegenüber 2-Chip-Lösungen. So wurden auch beim vom HNI entwickelten Empfängerchip optische und elektronische Bauteile sowie Systeme auf einem einzelnen Chip integriert. Die für den Chip verwendete Silizium-Photonik-Technologie wurde vom IHP-Leibniz-Institut für innovative Mikroelektronik bereitgestellt.

Der Empfängerchip des HNI wurde für die sogenannte kohärente Übertragungstechnik entwickelt. Im Gegensatz zu normalen Empfängern kann nicht nur die Amplitude, also die Stärke des Laserlichts, sondern auch die Phase eines Signals erkannt werden. Obwohl dadurch die Komplexität zunimmt, erhöht diese Technik direkt die Datenrate und kommt für schnelle Netzwerkverbindungen infrage. Mit einer gemessenen Bandbreite von 34 Gigaherz und einer Baudrate von 64 GBaud (Symbole pro Sekunde) wurden die bisherigen Bestmarken für Bandbreite und Bitrate für „monolithisch integrierte, kohärente Empfänger“ mehr als verdoppelt.

Weitere Informationen zur Fachgruppe Schaltungstechnik des HNI: www.hni.uni-paderborn.de/sct