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May 31, 2023

Die Erfindung, die Glasfasern die ganze Welt überspannen ließ

Viele große Geschichten aus dem Jahr 1985 hatten ihren Höhepunkt und sind heute so gut wie vergessen: New Coke, „We Are the World“, der Aufstieg des Desktop-Publishing. Aber eine seinerzeit obskure Erfindung

Viele große Geschichten aus dem Jahr 1985 hatten ihren Höhepunkt und sind heute so gut wie vergessen: New Coke, „We Are the World“, der Aufstieg des Desktop-Publishing. Doch eine seinerzeit noch unbekannte Erfindung aus diesem Jahr hat die Schlagzeilen ihrer Zeit längst in den Schatten gestellt, denn sie stellt einen nicht unerheblichen Teil der Kommunikationsinfrastruktur dar, die das moderne Internet zusammenhält. Im Jahr 1985 beschrieb der damalige Doktorand Robert Mears erstmals den Erbium-dotierten Faserverstärker (EDFA), ein Gerät, das die Energie eines Lasers nutzt, um Signale zu verstärken, die durch eine chemisch modifizierte optische Faser laufen. Mit dem EDFA können optische Signale transkontinentale Entfernungen zurücklegen, ohne dass sie in elektronische Bits dekodiert werden müssen. Es ermöglicht den Telekommunikationsbetreibern außerdem, Signale im Terabit-Bereich pro Sekunde in einzelne Unterwasser-Glasfasern zu packen. Ohne sie wäre die Telekommunikation über große Entfernungen begrenzt und teuer. Mears gab den Erfolg 1985 in einem Artikel im Electronics Lettersjournal des IEEE bekannt. (Heute ist Mears CTO und Gründer des Silizium-Leistungssteigerungsunternehmens Atomera.) In einem Austausch mit IEEE Spectrum diskutierte Mears die Auswirkungen seiner Arbeit von 1985 und wie sie zu seiner aktuellen Arbeit führte, einer Methode zur chemischen Modifizierung des Siliziumkristallwachstums Verbesserung der Transistorfunktion und -zuverlässigkeit.

IEEE Spectrum: Worum geht es in diesem Artikel und warum war er Ihrer Meinung nach so einflussreich?

Robert Mears : Der Artikel beschreibt die erste Demonstration der optischen Verstärkung in einem Erbium-dotierten optischen Faserverstärker. In der Arbeit habe ich gezeigt, dass eine optische Verstärkung von 30 Dezibel bei der damals neuen Telekommunikationswellenlänge von 1,5 Mikrometern mit einer praktischen Eingangslaserpumpleistung im Bereich von wenigen Milliwatt möglich war. Heute ist der Verstärker einfach als Erbium-dotierter Faserverstärker oder EDFA bekannt.

„Der [Erbium-dotierte Faserverstärker] hat die Glasfaserübertragung verändert und das Breitband-Internet ermöglicht.“–Robert Mears, CTO Atomera

Vor der Erfindung und Demonstration des EDFA arbeiteten transatlantische Telekommunikationskabel mit 140 Megabit pro Sekunde und erforderten alle paar Dutzend Kilometer elektronische U-Boot-Repeater – Systeme, die die optischen Signale in elektronische und wieder zurück umwandelten. Indem das Signal optisch gehalten wird, können Träger mehrerer Wellenlängen gleichzeitig verstärkt werden, wodurch die Bandbreite um mehr als drei Größenordnungen erhöht wird. Darüber hinaus bleiben die Signale über interkontinentale Entfernungen von Tausenden von Kilometern optisch.

Robert Mears war ein Doktorand, als er den Artikel veröffentlichte, der später zum globalen Standard für die Internet-Backbone-Kommunikation werden sollte: Atomera

Das EDFA war der Schlüssel zum optischen Internet und ermöglichte eine praktische optische Verstärkung für optische Verteilungsnetze über kürzere Entfernungen und Wellenlängenschalter.

Können Sie die wichtigen Probleme auf diesem Gebiet zum Zeitpunkt des Schreibens dieser Arbeit beschreiben und was hat Sie dazu bewogen, sich auf diese spezielle Forschung zu konzentrieren?

Mears: Zu dieser Zeit gab es in der gesamten optischen Kommunikationsbranche Bestrebungen, die Entfernung, über die ein optisches Signal übertragen werden konnte, zu vergrößern, bevor ein elektronischer Repeater erforderlich war. Durch die Umstellung auf Ferninfrarotübertragung – die Hintergrunddämpfung durch Dichteschwankungen ist bei längeren Wellenlängen viel geringer – und durch den Einsatz hochentwickelter kohärenter Kommunikationstechniken hoffte man, den Repeater-Abstand auf etwa 200 Kilometer zu vergrößern, so dass Repeater eher landbasiert auf Inseln installiert werden könnten als U-Boot.

Allerdings hätte eine solche Übertragung der Beschränkung der elektronischen Repeater unterliegen müssen, wahrscheinlich höchstens einige Gigahertz.

Im Gegensatz dazu bleibt das Signal heutzutage dank EDFA über große interkontinentale Entfernungen von Tausenden von Kilometern optisch und eine einzelne verstärkte Faser hat eine Bandbreite von mehr als 1 Terahertz.

Hatten Sie damals eine Vorstellung davon, welche Auswirkungen diese Arbeit auf Ihre Gemeinde haben würde? Wie wurde es ursprünglich angenommen?

Mears: Einige Forscher arbeiteten an anderen optischen Verstärkungsansätzen unter Verwendung von Halbleiterverstärkern oder nichtlinearer Optik, aber ich erkannte ab 1985 die praktischen Möglichkeiten des EDFA. In der Arbeit habe ich auch die rauscharmen Eigenschaften des Verstärkers hervorgehoben, die von entscheidender Bedeutung waren Dies ermöglicht den Einsatz mehrerer Verstärker über interkontinentale Entfernungen. Die erste Serie meiner Aufsätze wurde mit dem IEEE Electronics Letters-Preis (1986) ausgezeichnet, sodass die potenzielle Wirkung der Arbeit sofort erkannt wurde. Aber natürlich waren die Leute vorsichtig, bis es im Feld eingesetzt wurde.

Wann und wie wurde die Bedeutung dieses Papiers letztendlich erkannt?

Mears: Glücklicherweise unternahmen Unternehmen wie Standard Telecommunications Laboratories in Europa aufgrund des Versagens der elektronischen Repeater der nächsten Generation die Anstrengung, mögliche Probleme auszuräumen, und der EDFA wurde 1996 erfolgreich im transatlantischen TAT-12-System eingesetzt, vor weniger als 10 Jahren Jahre nach meiner Arbeit! In den Vereinigten Staaten wurden in den Bell Labs wichtige Forschungsarbeiten durchgeführt, um praktische Halbleiter-Laserpumpenquellen zu entwickeln, die eine Stromquelle für die optische Verstärkung bereitstellen.

Es folgten mehrere Auszeichnungen für die verschiedenen Teams, die bis dahin an den weltweiten Bemühungen zur Einführung des EDFA beteiligt waren.

„Es ist wichtig, in den dunklen Momenten weiter zu glauben, aber auch die Augen offen zu halten. So oft kann ein Ergebnis, das zunächst unbedeutend erscheint, einen Hinweis auf ein viel wichtigeres Ergebnis geben, oft in einem etwas anderen Bereich.“–Robert Mears, CTO Atomera

Wie hat sich diese Arbeit kurzfristig und langfristig auf Ihre Karriere ausgewirkt?

Mears: Nun, es hat mir das Schreiben meiner Doktorarbeit erleichtert. ziemlich einfach! Dank der Papiere und der Anerkennung half mir die Erfindung des EDFA, einen Forschungsstipendienwettbewerb am Cambridge [Pembroke College] zu gewinnen, bevor ich meine Abschlussarbeit fertig geschrieben hatte, und im darauffolgenden Jahr einen Lehrauftrag [Assistenzprofessor].

Zehn Jahre später begann ich, Ideen für die Umgestaltung von Silizium zu entwickeln und nach einer Finanzierung für die Gründung eines Unternehmens für die Lizenzierung von Halbleitermaterialien und Technologie zu suchen. Nachdem ich gesehen hatte, wie das EDFA die optische Kommunikationsindustrie veränderte, war ich zuversichtlich, dass ich einen ähnlichen Einfluss auf die Halbleiterindustrie haben könnte. Mein Hintergrund bei der Erfindung des EDFA half mir, das Startkapital für das zu beschaffen, was später zu Atomera wurde.

Wenn Sie auf diese Arbeit zurückblicken, wie sehen Sie sie persönlich im aktuellen Kontext des Fachgebiets? Was ist für Forscher heute wichtig und für das Fachgebiet relevant?

Mears: Das EDFA hat die Glasfaserübertragung transformiert und das Breitband-Internet ermöglicht. Ebenso wichtig war, dass es auch den Bau optischer Routing-Schalter erleichterte, indem es die optischen Verluste kompensierte, die bei der Aufteilung des Signals entstehen, was ich später in Cambridge demonstrieren konnte.

Aber meine Reise zum EDFA begann als Halbleiterphysikerin, und mein ursprüngliches Forschungsprojekt bestand darin, einen optischen Ringresonator [ein Gerät, das als optischer Filter fungiert] für die nichtlineare Erfassung zu konstruieren und zu untersuchen. Es wäre also falsch zu glauben, dass meine Recherchen völlig reibungslos verliefen oder dass die Idee des EDFA ohne viel Nachdenken und Fehlstarts entstand. Es ist wichtig, in den dunklen Momenten weiter zu glauben, aber auch die Augen offen zu halten. So oft kann ein Ergebnis, das zunächst unbedeutend erscheint, einen Hinweis auf ein viel wichtigeres Ergebnis geben, oft in einem etwas anderen Bereich. Für mich ist das Zufall – die Kunst des glücklichen Entdeckens.

Was sind Ihrer Meinung nach derzeit die wichtigsten Forschungsfragen in Ihrem Fachgebiet?

Mears: Als ich Cambridge verließ, um Atomera zu gründen, konzentrierte ich mich wieder auf die Halbleiterindustrie, wo ich meine akademische Karriere begann. Die Halbleiterindustrie profitierte viele Jahre lang von Verbesserungen in der Lithographie, die eine Skalierung der Gate-Länge ermöglichten. Aber wie wir alle wissen, müssen die anderen Dimensionen gleichzeitig skaliert werden, und die Industrie musste auf neue Halbleiter- und dielektrische Materialien zurückgreifen, um diese Skalierung zu ermöglichen. Es gibt eine Analogie zur optischen Kommunikationsindustrie während meiner Studienzeit, wo immer komplexere optische Materialien erforscht wurden. Damals bestand das Ziel darin, eine längere Übertragung zu erreichen, heute geht es darum, kürzere [Ladungs-]Trägerwege und höhere Transistordichten zu erreichen. Die Einführung neuer Materialsysteme macht den Halbleiterbereich reif für neue Erfindungen!

Zur weiteren Untersuchung:

Die Erfindung wird in den britischen Patentanmeldungen 8520300/8520301, eingereicht am 13. August 1985, beschrieben und als Prioritätsdokumente im US-Patent 4.999.025 „Fiber-optic Lasers and Amplifiers“ zitiert. Als Erfinder werden RJ Mears, L. Reekie, SB Poole und DN Payne aufgeführt.

Ein Schlüsselartikel war „Low-Threshold Tunable and Q-Switched Fiber Laser Operating at 1.55μm“, in Electronics Letters, 22 (3), S. 159–160, 1986, von RJ Mears, L. Reekie, SB Poole und DN Payne. Eine wichtige Verbesserung erschien im folgenden Jahr in „Low-Noise Erbium-Doped Fiber Amplifier Operating at 1.54μm“, Electronics Letters, 23 (19), S. 1026–1028, 1987 von RJ Mears, L. Reekie, IM Jauncey und DN Payne.