Optische Modulation bringt Höchstgeschwindigkeit
Ein Forscher der Hochschule für Telekommunikation Leipzig hat zusammen mit anderen Wissenschaftlern eine Methode entwickelt, um Daten mit der maximal möglichen Symbolrate in optischen Fasern zu übertragen. Genutzt wird eine Pulsfolge, die sich sehr einfach mit Hilfe eines Frequenzkamms herstellen lässt.
Leipziger Forscher haben eine Methode entwickelt, um Daten mit der maximal möglichen Symbolrate in optischen Fasern zu übertragen.
Foto: panthermedia.net/destinacigdem
Damit werden die Pulse direkt im optischen Bereich erzeugt und jeder einzelne Kanal des Spektrums der Faser kann für sich ein sehr breites, rechteckförmiges Spektrum mit der maximal möglichen Bandbreite erreichen.
Auf Optischen Fasern basieren sowohl die gesamte moderne Kommunikation als auch das Internet. Alle Internetinhalte von Anfragen an Suchmaschinen und deren Ergebnissen, Filmen und Musik bis hin zu Videotelefonaten und Internettelefonie werden mit Hilfe von Lichtsignalen über das weltweite Glasfasernetz übertragen. Diese Glasfasern haben eine sehr hohe Übertragungskapazität und sind damit bis jetzt noch in der Lage, die riesigen, täglich erzeugten Datenmengen zu transportieren.
Der Bedarf an Bandbreite steigt
Allerdings führen neue Anwendungen wie das hochauflösende und demnächst wahrscheinlich das ultra-hochauflösende Fernsehen on-demand, aber auch Smartphones, Tablets und andere Geräte mit immer höheren Anforderungen an die Bandbreite dazu, dass die Datenrate in den weltweiten Kommunikationsnetzen aktuell um fast 40 Prozent pro Jahr steigt. Die Glasfasernetze haben zwar eine sehr große, aber keine unendliche Kapazität – und der Bedarf an Bandbreite steigt immer weiter an.
Thomas Schneider, Professor der Hochschule für Telekommunikation Leipzig (HfTL), hat während seines Aufenthalts als Gastprofessor in der Schweiz an der EPFL in Lausanne zusammen mit den Arbeitsgruppen von Camille Sophie Brés und Luc Thévenaz eine innovative Methode entwickelt, wie mit relativ wenig Aufwand, die maximal mögliche Symbolrate in optischen Fasern übertragen werden kann. Dies kann zu einer drastischen Steigerung der übertragbaren Datenraten und damit zu einem weiteren, ungehinderten Wachstum des Internets führen.
Datenübertragung mit Licht
Die Lichtsignale, die in den Fasernetzen übertragen werden, sind sozusagen die Arbeitspferde des Internets. Es handelt sich um elektromagnetische Wellen, deren Parameter in Abhängigkeit von der zu übertragenden Information verändert werden. Die Wellenlängen der Lichtsignale in den Glasfasern liegen bei 1550 Nanometern (nm) und damit im nahen Infrarotbereich. Licht, das ein Mensch direkt mit seinen Augen sehen kann, hat dagegen kürzere Wellenlängen zwischen 800 nm (Rot) und 400 nm (Violett).
Die Modulation
Der einfachste Parameter des Lichts, der verändert werden kann, um damit Daten zu übertragen, ist die Amplitude. Man könnte das Licht einfach an- und ausschalten, je nachdem ob eine „1“ oder eine „0“ des digitalen Signals übertragen werden soll. Das ist dann eine sehr einfache Amplitudenmodulation (AM).
Zur Übertragung höherer Datenraten werden heute aber auch die Phase oder die Frequenz des Lichts zur Übertragung der Information genutzt. Diese Veränderung der Parameter der Welle, in Abhängigkeit von dem zu übertragenden Signal, wird Modulation genannt – in diesem Fall Phasen- (PM) oder Frequenzmodulation (FM).
Eine solche Art der Modulation führt aber auch dazu, dass neue Wellen mit neuen Frequenzen entstehen. Je höher die zu übertragenden Datenraten sind, umso mehr Frequenzen werden dazu benötigt. Die Menge aller Frequenzen, die für das modulierte Signal benötigt werden, wird als Spektrum bezeichnet.
Eine Glas- oder Kunststofffaser kann nur eine bestimmte Menge von Frequenzen und damit nur eine bestimmte maximale Menge an Daten pro Zeiteinheit transportieren. Damit eine Vielzahl an Information gleichzeitig in der Glasfaser übertragen werden kann, wird das gesamte zur Verfügung stehende Spektrum der Faser in einzelne Kanäle aufgeteilt, ähnlich den Fahrspuren auf einer Autobahn. Die maximal mögliche Menge an Information lässt sich transportieren, wenn die Kanäle so dicht wie möglich gepackt werden können. Damit das möglich wird, muss jeder einzelne Kanal ein rechteckförmiges Spektrum ohne Pegelabfall an den Kanalgrenzen aufweisen.
Verbesserung des Spektrums
Ein rechteckförmiges Spektrum bedeutet aber, dass das Signal mit einer Kardinalsinus-Funktion moduliert werden müsste. Die Kardinalsinus-Funktion ist aber unendlich lang ausgedehnt und damit praktisch leider nicht hundertprozentig realisierbar.
Es gab schon mehrere Versuche, solche Pulse zu erzeugen und für die Datenübertragung zu nutzen. Allerdings sind diese meist sehr aufwändig und besitzen entweder kein rechteckförmiges Spektrum, oder sie sind nicht in der Lage, die gesamte Bandbreite der Glasfaser zu füllen.
Thomas Schneider entwickelte in Diskussionen mit Kollegen die entscheidende Idee, an Stelle eines einzelnen Kardinalsinus-Pulses, eine Pulsfolge zu benutzen. Im Gegensatz zum nur theoretisch realisierbaren einzelnen Puls lässt sich diese Pulsfolge sehr einfach mit Hilfe eines Frequenzkamms herstellen. Damit lassen sich die Pulse direkt im optischen Bereich erzeugen und jeder einzelne Kanal kann für sich ein sehr breites, rechteckförmiges Spektrum aufweisen.
Die Realisierung
Es konnte der Nachweis erbracht werden, dass die Pulsfolge dieselben Eigenschaften bei der Datenübertragung aufweist wie die Einzelpulse. Gleichzeitig konnte in ersten Experimenten auch gezeigt werden, dass sich diese Pulse tatsächlich sehr einfach erzeugen lassen und ein fast ideales rechteckförmiges Spektrum haben.
Für eine Realisierung in den existierenden weltweiten Glasfasernetzen müssen für die Umstellung auf das neue Verfahren nur Sender und Empfänger ausgetauscht werden – die Kabel können weiter und dazu noch effizienter genutzt werden. Damit eröffnen die neuen optisch erzeugten Pulse die Möglichkeit, Daten mit der maximal möglichen Geschwindigkeit über optische Fasern zu übertragen.
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