Ett team av forskare från University of Otago/Dodd-Walls Center har skapat en ny enhet som kan möjliggöra nästa generation av snabbare, mer energieffektivt internet. Deras genombrottsresultat har publicerats i världens främsta vetenskapliga tidskrift Natur den här morgonen.

Internet är en av de enskilt största konsumenterna av makt i världen. Med datakapaciteten som förväntas fördubblas varje år och den fysiska infrastrukturen som används för att koda och bearbeta data når sina gränser, det finns ett enormt tryck på att hitta nya lösningar för att öka hastigheten och kapaciteten på internet.

Huvudforskaren Dr Harald Schwefel och Dr Madhuri Kumaris forskning har hittat ett svar. De har skapat en enhet som kallas en mikroresonator optisk frekvenskam gjord av en liten skiva av kristall. Enheten omvandlar en enda färg av laserljus till en regnbåge med 160 olika frekvenser – varje stråle är helt synkroniserad med varandra och perfekt stabil. En sådan enhet skulle kunna ersätta hundratals strömförbrukande lasrar som för närvarande används för att koda och skicka data runt om i världen.

Arbetet föddes ur Dr Schwefels tidigare forskning vid det prestigefyllda Max Planck-institutet i Tyskland och hans samarbete med Dr Alfredo Rueda som gjorde en del av den preliminära forskningen.

Internet drivs av laser. Varje mejl, mobiltelefonsamtal och webbplatsbesök kodas till data och skickas runt om i världen med laserljus. För att klämma ner mer data i en enskild optisk fiber delas informationen upp i olika ljusfrekvenser som kan sändas parallellt.

Dr Kumari säger att den nuvarande infrastrukturen kämpar för att klara efterfrågan eftersom internetkonsumtionen ökar avsevärt.

"Lasrar avger bara en färg åt gången. Vad detta betyder är att om din applikation kräver många olika färger samtidigt, du behöver många lasrar. Alla kostar pengar och förbrukar energi. Tanken med dessa nya frekvenskammar är att du lanserar en färg i mikroresonatorn och en hel rad nya färger kommer ut, " säger Dr Kumari.

"Det är ett riktigt coolt energisparsystem, " säger Dr Schwefel, "Den ersätter ett helt rack av lasrar med en liten energieffektiv enhet."

Han förväntar sig att enheterna kommer att införlivas i sub-oceaniska landningsstationer där all information från landbaserade fibrer är inpackad i de få sub-oceaniska fibrer som finns tillgängliga på mindre än ett decennium, kanske inom några år.

"För att utveckla enheten för telekommunikationsindustrin måste vi börja arbeta med stora telekommunikationsföretag, " Dr. Schwefel förklarar. "Vi har startat processen genom att samarbeta med ett Nya Zeeland-baserat optiskt teknikföretag."

Detta genombrott är den första milstolpen i ett regeringsfinansierat samarbete mellan forskare vid University of Otago och University of Auckland som är en del av Dodd-Walls Center for Quantum and Photonic Technologies – en virtuell organisation som samlar Nya Zeelands främsta forskare som arbetar inom områdena av ljus- och kvantvetenskap. Forskningsprojektet har tilldelats nästan en miljon dollar av Marsden Fund-pengar för att utveckla och testa potentialen hos mikroresonatorfrekvenskammar.

De optiska frekvenskammarna är baserade på en mycket ovanlig optisk effekt som uppstår när ljusintensiteten byggs upp till extremt höga nivåer. Du skickar en enda färg av synligt ljus in i kristallskivan tillsammans med en mikrovågssignal och eftersom kristallskivan är av så hög kvalitet, ljuset och mikrovågsstrålningen fastnar inuti. Ljuset och mikrovågsstrålningen fortsätter att strömma in och studsa runt och runt inuti kristallen. I de flesta situationer ändrar ljus aldrig färg men i det här fallet blir intensiteten så hög att ljuset och mikrovågsstrålningen börjar smälta samman och bilda olika färger. Fenomenet är känt som en icke-linjär effekt och det har tagit teamet många år att optimera.

Den enda andra gruppen i världen som tillverkar enheter av konkurrerande kvalitet är ett samarbete från Harvard och Stanford University i USA, även publicerad i denna månads Natur , men för närvarande har Drs Schwefel och Kumari rekordet för den mest effektiva enheten. Detta betyder i huvudsak att deras kristaller inte läcker något ljus. Tricket är att ha en extremt högkvalitativ kristall. Haralds grupp är världsexperter på att tillverka kristallskivor i hans labb vid University of Otago.

Internet är bara en av de möjliga tillämpningarna för de nya optiska frekvenskammarna. En annan användning är högprecisionsspektroskopi - med hjälp av laserljus för att studera och identifiera den kemiska sammansättningen, egenskaper och struktur hos material inklusive sjukdomar, sprängämnen och kemikalier. Dr. Kumaris nästa uppdrag blir att utforska denna applikation bland andra möjligheter.

"Det här är ett väldigt spännande projekt att arbeta med, " säger Dr. Kumari. "Optiska frekvenskammar har bokstavligen revolutionerat alla applikationer de har berört. Du kan använda dem för vibrationsspektroskopi, avståndsmätning, telekommunikation. Jag ser fram emot att se hur vi kan använda vårt."