Extrem präzise: Forscher erzeugen Regenbogen von Millimeterwellen
Optische Resonatoren spielen eine große Rolle bei der Erzeugung hochfrequenter Signale im Bereich hunderter GHz bis einiger THz. Einigen Anwendungen genügt dabei nicht eine einzelne Frequenz. Oft ist ein sogenannter Frequenzkamm erforderlich, der mehrere Einzelfrequenzen mit definiertem Abstand enthält. Veranschaulichen lässt sich das anhand eines Regenbogens, allerdings mit scharf abgegrenzten Farben. Forschern der britischen Loughborough University ist deren Erzeugung mit zuvor ungekannter Präzision gelungen(öffnet im neuen Fenster).
Wie die Forscher im Fachmagazin Nature Communications schreiben(öffnet im neuen Fenster), macht dies ein neuer Aufbau des Frequenzgenerators möglich. Zwar nutzen sie, wie auch andere Gruppen zuvor, einen Ringresonator (g+). Damit erzeugen sie aber direkt den Frequenzkamm, während dieser bei anderen Ansätzen oft nur eine Ausgangsfrequenz bereitstellt. Daraus wird über andere Verfahren dann der Frequenzkamm erzeugt.
Die Vorteile der direkten Erzeugung seien vielfältig, so die Forscher: Der Abstand zwischen den Einzelfrequenzen ist präzise, die Schwingungen bleiben zudem über größere Distanzen kohärent. Bereits der Grundaufbau soll sehr resistent gegen äußere Einflüsse wie Temperaturänderungen oder Vibrationen sein. Auch ohne Kompensation etwa eines Temperaturdrifts bleibt das System Dutzende Minuten stabil.
Regelung eliminiert Frequenzfehler
Die eigentliche Neuerung ist aber ein Rückkopplungsmechanismus: Ein Teil der Leistung des erzeugten Frequenzkamms wird in einen Lichtleiter ausgekoppelt.
Dieser Teil wird mittels eines Pumplasers verstärkt und zurückgespeist. Die mit Erbium dotierte Lichtleiterfaser des Verstärkers ist dabei auf einen zylindrischen Piezokristall gewickelt. Der kann die Faser strecken und darüber den Abstand zwischen aufeinanderfolgenden Pulsen verändern. So lassen sich Frequenzfehler praktisch eliminieren. Einen Nachteil hat die Regelung bislang allerdings: Sie benötigt ein GPS-stabilisiertes Taktsignal als Referenz.
Für künftigen Mobilfunk und Forschung
Die Forscher nennen zwei Anwendungsfelder, für die ihr Frequenzgenerator besonders interessant ist. Der erste ist Mobilfunk, wo bereits Mehrträgersysteme zur besseren Ausnutzung der Bandbreite genutzt werden (FDMA, Frequency-division Multiple Access). Für 6G gewinnen Millimeterwellen an Bedeutung, in welche das erzeugte optische Spektrum mittels spezieller Antennen gewandelt werden kann.
Hier ist der gewählte Ansatz nach Aussage der Forscher besonders effizient, da er ohne optische Verstärker auskommt. Zumindest in der Theorie. In ihrem Versuchsaufbau mussten die Forscher das Signal verstärken, da nach ihrer Aussage die verwendeten Antennen nur unzureichend abgestimmt waren, was zu hohen Verlusten führte. Der zweite Anwendungsbereich ist THz-Spektroskopie, die etwa zur Detektion von Gasen genutzt wird.
Wie so oft in der Forschung ist es allerdings bis zur praktischen Nutzung noch ein weiter Weg. Wie viele photonische Aufbauten belegt der Resonator aktuell noch einen ganzen Labortisch, wo allerdings auch die Messausrüstung installiert ist. Aber auch Pumplaser und Regelung benötigen Platz, der Chip mit dem Ringresonator hingegen hat nur die Größe eines Reiskorns. Die Forscher erwarten, ihren Aufbau etwa auf die Größe eines Schuhkartons verkleinern zu können. So könnte er etwa in Satelliten verbaut werden.
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