Grüner Laserstrahl über Wien: Forscher haben erstmals einen korkenzieherartig verdrehten Laserstrahl genutzt, um Daten drei Kilometer weit durch die Luft zu übertragen. Sogar drei Portraitbilder wurden so trotz turbulenter Atmosphäre übermittelt. Eine solche Modulation der Lichtwelle mit Hilfe ihres Bahndrehimpulses könnte die Bandbreite optischer Übertragungen künftig erheblich erhöhen, so die Forscher im „New Journal of Physics“.
Dass Daten per Licht übertragen werden, ist nichts Neues, in Glasfaserkabeln geschieht dies längst. Werden Daten über die Polarisation der einzelnen Lichtteilchen kodiert, klappt auch die Übertragung durch die Luft. Denn diese Methode ist relativ unempfindlich gegenüber atmosphärischen Turbulenzen. Allerdings ist die Menge an Daten sehr begrenzt, die sich auf diese Weise transportieren lässt, wie Mario Krenn von der Universität Wien und seine Kollegen berichten.
Laserstrahl in Korkenzieher-Form
Die Wiener Forscher arbeiten daher an einer weiteren Möglichkeit der Kodierung von Signalen per Licht: mit dem sogenannten Bahndrehimpuls, englisch orbital angular momentum. Dieser bringt eine Lichtwelle dazu, sich beim Ausbreiten spiralig um eine Achse zu drehen. Dadurch entsteht eine korkenzieherförmige Wellenform – und diese soll nach Angaben der Forscher sehr viel mehr Daten kodieren und transportieren können als herkömmliche Lichtsignale.
Tatsächlich haben Experimente gezeigt, dass sich mit solchen verdrehten Lichtwellen in einem optischen Leiter bis zu 2,5 Terabyte an Daten pro Sekunden übertragen lassen – das entspricht der Kapazität von 66 DVDs. Über die Luft ließ sich diese Übertragungsmethode bisher allerdings nur auf sehr kurzen Strecken nutzen, denn die verdrehten Lichtwellen werden durch Luftturbulenzen verzerrt und konnten dann nicht mehr richtig ausgelesen werden, wie die Forscher berichten.
Grüner Laserstrahl und lernfähiger Empfänger
Diese Probleme haben Krenn und seine Kollegen jetzt mit Hilfe einer neuen Dekodierungstechnik überwunden. Dabei wertet eine lernfähige Musterkennungs-Software eines neuronalen Netzwerks die eintreffenden Lichtsignale aus – und lernt dabei von selbst, die von den Turbulenzen erzeugten Verzerrungen herauszufiltern.
Um dieses System zu testen, installierten die Forscher einen leistungsstarken grünen Laser auf dem 35 Meter hohen Radarturm der Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG). Das Laserlicht wurde durch einen vorgeschalteten Modulator korkenzieherartig verdreht und dann mit Daten versehen. Im ersten Versuch waren dies 16 einfache Mustern, im zweiten die Graustufen-Portraits von Erwin Schrödinger, Ludwig Boltzmann und Wolfgang Amadeus Mozart. Drei Kilometer vom Sender entfernt fing ein Empfänger auf dem Dach der Universität den Laserstrahl auf und speiste ihn in das Auswerte-System ein.
Wie sich zeigte, klappte die Übertragung per Korkenzieher-Licht problemlos. Die Empfänger-Software konnte sowohl die 16 Muster als auch die drei Portraits korrekt entschlüsseln und wiedergeben, wie die Forscher berichten. Selbst starke Turbulenzen in der Atmosphäre über der Großstadt Wien waren dabei kein Hindernis.
Einsatz zur Kommunikation mit Satelliten
„Wir haben damit zum ersten Mal bewiesen, dass Information über verdrehtes Licht kodiert und drei Kilometer weit quer über die Stadt übermittelt werden kann“, sagt Krenn. Der Bahndrehimpuls des Lichts sei gegenüber den Turbulenzen widerstandsfähig genug, um auch nach einer solchen Strecke noch ausgelesen zu werden.
Damit könnte ein solches Lichtsignal beispielsweise genutzt werden, um mit Satelliten in der Erdumlaufbahn zu kommunizieren. Dieser zusätzliche Freiheitsgrad bei Lichtwellen kann aber auch dazu beitragen, die Bandbreite der herkömmlichen Lichtleiter deutlich zu erhöhen, wie die Forscher erklären. (New Journal of Physics, 2014; doi: 10.1088/1367-2630/16/11/113028)
(IOP Science / Universität Wien, 12.11.2014 – NPO)
