Laser statt Funkwellen: Facebook-Forscher haben einen neuen Lichtsammler entwickelt, der die optische Kommunikation durch die Luft effektiver machen soll. Mit Hilfe von Fluoreszenzfarbstoffen verstärkt dieser ballonförmige Empfänger selbst schwache Lichtsignale und leitet sie zu einem schnellen Photodetektor. Ein Prototyp dieses Systems erreichte bereits Datenübertragungsraten von immerhin zwei Gigabit pro Sekunde – für optische free-space-Systeme relativ viel.
Die Datenübertragung per Laserlicht ist längst unverzichtbar: Über Glasfaserkabel können so gewaltige Datenmengen mit Lichtgeschwindigkeit versendet werden. Prinzipiell funktioniert das auch ohne Kabel – einfach über die Luft. Nach Ansicht von Forschern des Facebook Connectivity Lab könnte sich diese sogenannte free-space optical communication (FSO) künftig durchaus lohnen, um gerade Menschen in ländlichen Gebieten eine schnelle Internetanbindung zu bieten.
Schnelles Netz für ländliche Gebiete
„Viele Menschen kommen nicht ins Internet, weil dort, wo sie leben, keine kabellosen Kommunikations-Infrastrukturen verfügbar sind“, erklärt Projektleiter Tobias Tiecke. Dort Glasfaserkabel zu verlegen, ist zu teuer, funkbasierte Ansätze liefern dagegen oft nicht genügend Bandbreite. „Wir wollen deshalb Kommunikations-Technologien entwickeln, die für dünn besiedelte Gebiete optimiert sind.“
Bisher allerdings ist die Reichweite der free-space-Systeme noch begrenzt, unter anderem, weil einerseits der Laserstrahl nicht so stark sein darf, dass er dem menschlichen Auge beim Hineinblicken schaden kann, zum anderen, weil es an Empfängern fehlte, die selbst durch Turbulenzen schwankende feine Lichtstrahlen über große Entfernungen noch einfangen können. Das Problem: Je größer der Photodetektor, desto langsamer ist er.
Fluoreszenz-Farbstoff als Lichtsammler
Um das zu ändern, haben die Facebook-Forscher nun eine Art Fangballon für Lasersignale entwickelt. Er ist dem eigentlichen Photodetektor vorgeschaltet und besteht aus einem tropfenförmigen Empfänger aus Kunststofffasern, die als Lichtleiter dienen. Diese sind mit einem fluoreszierenden organischen Farbstoff gefüllt, der blaues Licht absorbiert und die Energie als grünes Licht wieder abgibt.
„Die Tatsache, dass die fluoreszierenden Fasern eine andere Lichtfarbe emittieren als sie aufgenommen haben, macht es möglich, die Helligkeit des einfallenden Lichtsignals zu verstärken“, erklärt Tiecke. Weil blaues Licht energiereicher ist als grünes, erzeugt der Empfänger mit der überschüssigen Energie mehr grüne Photonen.
Schnelle Umwandlung
„Das Licht wird im Inneren der optischen Fasern transportiert und in einem kleinen, sehr schnellen Photodetektor konzentriert“, berichtet Tiecke. Der große Vorteil: Der 126 Quadratzentimeter umfassende Empfängerballon kann aus allen Richtungen kommendes Licht einfangen und ist daher imstande, auch räumlich schwankende, von Turbulenzen bewegte Signale zu registrieren.
Im Gegensatz zu bisherige Fluoreszenz-Lichtkollektoren verläuft die Reaktion des Farbstoffs in diesem Lichtfänger enorm schnell: Zwischen der Absorption des blauen Lichts und dem Aussenden des grünen vergehen weniger als zwei Nanosekunden. „Fluoreszenz-Materialien können demnach genutzt werden, um die aktive Fläche einer Photodiode um mehrere Größenordnungen zu erhöhen und ihre kurzen Reaktionszeiten zu erhalten“, so die Forscher.
Mehr als zwei Gigabit pro Sekunde
Für die Übertragung der Daten verwendeten Tiecke und seine Kollegen das sogenannte Orthogonale Frequenzmultiplexverfahren (OFDM). Bei diesem wird das Datensignal auf mehrere, senkrecht zueinander stehende Trägerwellen verteilt. Das erhöht die Bandbreite und erleichtert die störungsfreie Übermittlung. Obwohl dieses Verfahren bei W-LAN, V-DSL und LTE schon durchaus gängig ist, ist dies bei Laserkommunikation bisher selten.
Mit ihrem nur aus kommerziell erhältlichen Komponenten gebauten Prototyp erreichten die Forscher bereits Datenübertragungsraten von mehr als zwei Gigabit pro Sekunde, wie sie berichten. Das jedoch ließe sich noch steigern: „Würde man Empfänger-Materialien entwickeln, die im infraroten Teil des Spektrums agieren, könnte man theoretisch Übertragungsraten von mehr als zehn Gigabit pro Sekunden erreichen“, sagt Tiecke.
Die Forscher hoffen, dass auch andere Wissenschaftler an diesem Konzept weiterarbeiten und mithelfen, neue Materialien für solche Kommunikations-Anwendungen zu entwickeln. Gleichzeitig arbeiten sie an einem ersten Test dieser Technologie unter realen Bedingungen außerhalb des Labors. „Wir erforschen die Machbarkeit eines kommerziellen Produkts, gleichzeitig ist dies aber ein sehr neues System und es gibt noch viel Raum für Verbesserungen“, so Tiecke. (Optica, 2016; doi: 10.1364/optica.3.000787)
(The Optical Society, 22.07.2016 – NPO)
