Bild: Rana Ossama (cc-by-2.0)
US-Chemiker haben einen neuen Farbstoff entwickelt, der sich für die Lichtmodulation in rein optischen Routern eignen soll.
Ein neuartiger Farbstoff, den Forscher am Georgia Institute of Technology entwickelt haben, soll in einigen Jahren den Bau rein optische Internet-Router mit Übertragungsgeschwindigkeiten von bis zu 2000 Gigabit pro Sekunde (2 Terabit) erlauben. Das wäre ein 50-Faches der aktuell schnellsten kommerziellen Geräte mit bis zu 40 Gigabit pro Sekunde.
Moderne Glasfasernetze sind in ihrer Geschwindigkeit begrenzt, weil das Licht, das die Daten transportiert, in elektrische Signale umgewandelt werden muss, sobald es eine Weiterleitungsstation erreicht. Wäre es möglich, die Datenübertragung rein optisch zu belassen, ließen sich die Übertragungsraten deutlich steigern. Neue Dienste wie hochauflösende medizinische Anwendungen, High-Speed-Bilderkennung oder HDTV in deutlich besserer Qualität als heute wären denkbar.
Lösungsansätze gibt es mittlerweile viele - doch keiner davon hat sich bislang als wirklich praxistauglich erwiesen: Ingenieure haben bereits Geräte gebaut, die optische Signale mittels Spiegeln oder optischen Blasen manipulieren und weiterleiten können. Die Georgia Tech-Forscher gingen nun einen anderen Weg: Sie entwickelten einen Farbstoff aus einer speziellen Molekülkombination, mit dem sich optische Signale theoretisch in wenigen Femtosekunden schalten lassen – physikalische Verfahren benötigen Mikrosekunden.
Das Projekt entstand aus einer Zusammenarbeit zwischen Georgia Tech-Chemieprofessor Seth Marder, der die Synthesephase des Projektes leitete, und den beiden Chemikern Jean-Luc Bredas und Joseph Perry, die das neue Molekül aufbauten. Das Team begann den Designprozess mit organischen Molekülen aus der Gruppe der Polymethin-Farbstoffe. Dieses Material besitzt eine ungewöhnliche Eigenschaft: Sein Brechungsfaktor lässt sich mittels Laserlicht verändern. Damit wird eine Phasenmodulation des einfallenden Lichtes in einem rein optischen System mit extrem schnellen Schaltzeiten möglich – zumindest in der Theorie. Eine Umwandlung in Strom wäre nicht mehr nötig.
Forscher untersuchten den Einsatz organischer Moleküle für optische Schalter bereits seit fast 20 Jahren, erläutert Larry Dalton, Chemiker und Elektroingenieur an der University of Washington, der selbst neue optische Materialien entwickelt. Mit dem richtigen Material ließen sich Informationen mit erstaunlicher Geschwindigkeit verarbeiten. Bislang gelang es allerdings nicht, organische Materialien zu entwickeln, die nicht auch noch einen Teil des Spektrums des in der Telekommunikation eingesetzten Lichts schlucken würden. Der Farbstoff der Georgia Tech-Forscher sei daher "der erste seiner Art, der die Veränderung des Brechungsindexes erlaubt, ohne dass Energie verloren geht", meint Dalton. "Die Technik hat ein echtes Potenzial, praktisch umgesetzt zu werden." Anwendungen gäbe es genug – vom erwähnten superschnellen Router bis zu einem rein optischen Computer.
Georgia Tech-Mann Marder freut sich auch deshalb über erste Erfolge im Labor, weil organische Materialien für solche Zwecke bereits nahezu aufgeben worden waren. Durch die Kombination von Theorie und zahllosen Versuchen gelang es schließlich, Moleküle zu schaffen, die die gewünschten Eigenschaften besaßen.
Bislang wurden die reizvollen Möglichkeiten allerdings nur in einer flüssigen Lösung getestet. "Wirklich schwierig wird es nun, diese Farbstoffe zu nehmen und sie in ein Material zu stecken, das den Schalter bildet." Das Team arbeitet bereits daran. Zwar sei der Farbstoff selbst "nicht gerade einfach zu synthetisieren" und mindestens am Anfang teuer. Doch notwendig sei pro Gerät später nur eine sehr geringe Menge.
Marders Teamkollege Perry betont, dass die bestehenden elektrooptischen Technologien vielleicht noch auf 100 Gigabit pro Sekunde hochgejagt werden könnten. Mit rein optischen Systemen wäre in einem ersten Schritt in den nächsten fünf Jahren das Doppelte oder das Dreifache dieses Wertes machbar.
Interesse aus der Industrie besteht bereits. Ein Photonik-Spezialist hat die Georgia Tech-Forscher kontaktiert und will über eine Zusammenarbeit sprechen. Endkunden werden sich allerdings noch ein Weilchen gedulden müssen, bis sie von der neuen Technologie profitieren können. Es liegt ganz an den Providern, ob sie die dadurch möglichen Geschwindigkeitssteigerungen an ihre Endkunden weitergeben. Für große Server-Betreiber wie Google wären rein optische Router aber wohl sehr schnell ein Segen.
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