Um mit dem rasant wachsenden Datenverkehr Schritt zu halten, muss auch die Kapazität der Datenübertragung per Glasfaser gesteigert werden. In einem EU-weiten Projekt arbeiten Forscher zurzeit an Methoden, die dem Lichtsignal mehr Informationen mitgeben. Diese zusätzlichen Kanäle könnten die Kapazität vorhandener Glasfaserkabel verhundertfachen. Die Forscher haben auch schon eine relativ genaue Vorstellung darüber, wie sich das realisieren lässt.
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Die Zahlen sind schwindelerregend: 2017, so sagte der Netzwerkausrüster Cisco im vergangenen Mai voraus, werden die Computernetze der Welt einen Datenverkehr von 1,4 Zetabyte transportieren – das sind 1.400.000.000.000.000.000.000 Byte. Ein Grund: Die Datenautobahnen übertragen immer mehr Internet-Fernsehen und Internet-Telefonie. „Um die Kommunikation der Zukunft zu bewältigen, müssen wir die Kapazität der Datenübertragung vervielfachen“, erklärt Johann Peter Reithmaier, einer der beiden Direktoren des Instituts für Nanostrukturtechnologie und Analytik (INA) an der Universität Kassel.
Ziel: Ein Petabit pro Sekunde
Um dies zu erreichen, arbeiten nun 60 Forschergruppen im Rahmen eines EU-weiten, millionenschweren Projektverbunds an einem Verfahren um die Leistung vorhandener Glasfaserkabel um den Faktor 100 zu steigern. „Wir müssen in einen Bereich vorstoßen, in dem wir pro Sekunde ein Petabit an Informationen übertragen können“, erklärt Reihtmaier. „Das gilt insbesondere für die Kabel unter den Ozeanen, denn hier wäre es extrem teuer, zusätzliche Leitungen zu verlegen.“ Ein Petabit, das sind 1 Billiarde Bit oder 125 Billionen Byte.
Die Zielrichtung des Projekts lautet: Dem übertragenen Lichtsignal mehr Informationen mitzugeben als bislang. Bis dato wird das Lichtsignal in der Glasfaser nur durch eine Intensitätsmodulation genutzt. Vereinfacht dargestellt: Ist es stark, dann wird eine 1 übermittelt, ist es schwach, eine 0. Pro Wellenlänge lassen sich so bis zu 100 Gigabit pro Sekunde übermitteln, zudem ist es inzwischen möglich, bis zu 1.000 Wellenlängen parallel zu übertragen, also bis zu 10 Terabit – unvorstellbar viel, aber nicht genug, wenn man sich klarmacht, dass mancher einzelne Rechner inzwischen bis zu 10 Gigabit pro Sekunde abschicken oder empfangen kann.
Phase, Amplitude und Polarisation als zusätzliche Datenkanäle
Das Licht kann aber mehr als an- und ausgehen, und das machen sich die Wissenschaftler für die sogenannte „Kohärente Kommunikation“ zunutze. Damit lässt sich innerhalb einer Wellenlänge die Phase verschieben, also ein bestimmter Abstand zwischen den Spitzen einer Welle einschieben. Wenn der Empfänger in der Lage ist, den Abstand auszulesen, lässt sich die Länge der Phasenverschiebung als weitere Information nutzen. Die Physiker sprechen hier von einem zusätzlichen Freiheitsgrad des Lichts.
Es gibt aber noch mehr Möglichkeiten: Die Amplitude, die Höhe des Wellenausschlages, lässt sich ebenfalls aufmodulieren. In modernen Mobilfunknetzen (UMTS, LTE) werden Phase und Amplitude bereits moduliert, für die Optik ist dieser Kunstgriff neu. Auch die Polarisation des Lichts, also die Schwingungsrichtung der Lichtwelle, lässt sich als zusätzliche Eigenschaft mit verschiedenen Zuständen mitgeben.
Laserchip als Auslese-Einheit
Reithmaier und sein Team haben nun einen ersten Schritt zur Realisierung dieser Konzepte gemacht: Sie entwickelten einen Laserchip, der diese zusätzlichen Informationskanäle auslesen kann. Er besteht aus einem winzigen integrierten Halbleiter-Laserchip, der als Referenzoszillator dient. Sein Licht wird mit dem übertragenen Signal abgeglichen; stimmen die Eigenschaften überein, registriert der Empfänger einen bestimmten Wert. Aus diesen Werten setzt sich die übertragene Information zusammen.
Die Herausforderung ist, einen stecknadelkopfgroßen Laserchip so exakt herzustellen, dass er ein stabiles Lichtsignal abgibt. Die Arbeitsgruppe um Reithmaier trägt dafür winzige, nur wenige Nanometer große Kristalle, sogenannte Quantenpunkte, aus Indiumarsenid auf ein Indiumphosphid-Trägermaterial. Jeder Quantenpunkt kann ein einzelnes Elektron auffangen und ein einzelnes Lichtteilchen aussenden. „Je gleichmäßiger die Quantenpunkte aufgetragen sind, desto höher ist die Qualität des Lichts“, betont Reithmaier. „Hierin sind wir weltweit führend.“
Zudem ist der Laser abstimmbar, dadurch kann sein Licht in Sachen Phasenverschiebung und Polarisation verschiedene Zustände annehmen und so mit dem Übertragungssignal abgeglichen werden. Reithmaier und sein Team hat bereits die ersten Probe-Chips produziert, die nun getestet werden. „Die ersten Ergebnisse sind ermutigend“, berichtet der Forscher.
(Universität Kassel, 28.08.2013 – NPO)
