Datenübertragung per Glasfaser hat bisher ein Manko: Das Lichtsignal wird durch physikalische Effekte schnell abgeschwächt und verzerrt. Mit einen simplen Trick haben Forscher der Bell Labs in New Jersey nun Abhilfe geschaffen: Sie schickten ihr Signal in zwei spiegelbildlich verschobenen Strahlen auf die Reise und konnten so die Verzerrungen leichter erkennen und entfernen. Wie sie in „Nature Photonics“ berichten, gelang es ihnen dadurch, Daten mit 400 Megabit pro Sekunde über 12.800 Kilometer weit zu senden – zehn Mal weiter als bisher möglich.
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Sie verbinden Kontinente über tausende von Kilometern, sind aber nur wenige Zentimeter dick: Längst bilden Glasfaserkabel das Rückgrat unserer globalen Informationsgesellschaft. 15 Millionen Telefongespräche gleichzeitig oder der Inhalt von 250 DVDs in einer Sekunde sind für die lichtschnellen Leiter kein Problem. Glasfaserkabel sind daher längst die Methode der Wahl, wenn es um das Senden großer Mengen von digitalen Daten geht. „Sie haben das exponentielle Wachstum der Kommunikations-Kapazität erst ermöglicht“, erklären Xiang Liu von den Bell Labs und seine Kollegen. Mit Übertragungsraten von hunderten Megabit bis sogar Terabit pro Sekunde sind die Lichtwellenleiter den Satelliten in punkto Datenkapazität und Übertragungsgeschwindigkeit bereits überlegen.
Leitung dämpft Lichtsignal
Das Prinzip der optischen Übertragung ist dabei relativ einfach: Der eigentliche Leiter besteht meist aus einer Quarzglasfaser, die von einem Mantel aus wenig stark lichtbrechenden Material umgeben ist. Am Beginn der Glasfaserstrecke wandelt eine Leucht- oder Laserdiode die ankommenden elektrischen Signale in Lichtwellen um. Das Licht tritt in den Kern der Glasfaser ein und breitet sich aus. Von den Wänden des Kerns wird es dabei reflektiert und dadurch auf Spur gehalten. Am anderen Ende wandelt die empfangende Photodiode diese wieder in elektrische Signale um.
Der große Vorteil dabei: im Gegensatz zu Elektronen im Kupferkabel bewegt sich das Licht nahezu widerstandsfrei. Es verliert daher in tausende Kilometer langen Glasfaserleitungen kaum an Schwung und ist dort noch immer annähernd mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs. Darüber hinaus können die verschiedenen Wellenlängen des Lichts mit unterschiedlichen Informationen versehen werden, die dann gleichzeitig auf die Reise gehen.
Das Ganze hat aber leider auch einen Haken: Durch verschiedene physikalische Effekte wird das Lichtsignal in der Glasfaser relativ schnell abgeschwächt und verzerrt. Je nach Wellenlänge und Datenrate ist die Reichweite einer solchen Übertragung daher sehr begrenzt. Um längere Strecken zu überbrücken, muss das Signal bisher in regelmäßigen Abständen entlang der Leitung durch Verstärker und Signalkorrekturen modifiziert werden. Liu und seine Kollegen haben nun eine Methode getestet, mit der sich Verzerrungen verringern beziehungsweise effektiv herausfiltern lassen.
Verschobene Kopie als Entzerrungshelfer
Ihr Trick dabei: Sie schickten ihr Signal nicht in einem Lichtstrahl auf die Reise, sondern in zwei Kopien. Diese wurden aber leicht versetzt ausgesendet, so dass die Wellen nicht im Gleichtakt schwangen, sondern genau gegeneinander: Immer, wenn die eine ein Hoch erreichte, hatte die andere ein Tief. Die zu einer bestimmten Zeit einwirkenden Störeffekte lösen dadurch bei den beiden Wellen jeweils leicht unterschiedliche Verzerrungen aus.
„Dadurch können wir die Störungen herausfiltern, indem wir die Wellen am Ende der Signalstrecke wieder aneinander ausrichten und übereinanderlegen“, erklären die Forscher. Störungen erscheinen dabei dann als Ausschläge, die bei beiden nicht übereinstimmen. Entfernt man diese, kann die ursprüngliche Form des Signals wieder rekonstruiert werden. Durch dieses Verfahren lasse sich die nonlineare Verzerrung um mehr als 8,5 Dezibel reduzieren, so die Wissenschaftler.
Was das praktisch bedeutet, demonstrierten Liu und seine Kollegen in einem Langstrecken-Versuch. Dabei schickten sie acht solcher verschobener Signalpaare mit einer Datenraten von 400 Megabit pro Sekunde mehrfach hintereinander durch eine Schleife aus einem 80 Kilometer langen Glasfaserkabel. Wie sich zeigte, konnten sie das Signal selbst dann noch aus dem Rauschen extrahieren, nachdem es insgesamt 12.800 Kilometer in dieser Teststrecke zurückgelegt hatte. (Nature Photonics, 2013; doi: 10.1038/nphoton.2013.109)
(Nature Photonics, 27.05.2013 – NPO)
