Optische Datenübertragung: Forscher übertragen 1,53 Petabit/s mit einer Glasfaser

Auch optische Kommunikation kann Mehrwegeausbreitung produktiv nutzen: Eine Forschergruppe überträgt extrem effizient riesige Datenmengen.

Artikel veröffentlicht am , Johannes Hiltscher
Werden optische Moden genutzt, kann eine Glasfaser viele ersetzen.
Werden optische Moden genutzt, kann eine Glasfaser viele ersetzen. (Bild: Wikimedia Commons/CC-BY-SA 2.0)

Praktischerweise rechnet die Pressemeldung des National Institute of Communication Technology (NICT) in Japan gleich um: Mit der Datenrate von 1,53 Petabit/s, die Forscher des Instituts zusammen mit Kollegen aus den USA, Frankreich und Australien erzielten, ließen sich 10 Millionen 8K-Videostreams übertragen. Zwar erreichte die Forschungsgruppe am NICT um Leiter Georg Radermacher bereits selbst höhere Datenraten von bis zu 10,66 PBit/s, das nun vorgestellte Verfahren hat aber erheblich mehr Steigerungspotenzial.

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Bei anderen Arbeiten werden nämlich meist Faserbündel verwendet, bei denen mehrere Glasfasern zu einem Kabel gebündelt sind. Mit einer solchen Multi-Core-Faser erreichte die Gruppe auch ihren Geschwindigkeitsrekord. Parallel verfolgt sie aber schon länger einen anderen Ansatz: Mit sogenannten Multi-Mode-Fasern lassen sich ebenfalls hohe Datenraten erzielen. Multi-Core- und Multi-Mode-Fasern folgen dabei grundsätzlich demselben Prinzip: Sie nutzen mehrere Ausbreitungswege parallel.

Während die Fasern in einer Multi-Core-Faser räumlich getrennt, sind liegen sie bei einer Multi-Mode-Faser innerhalb eines Lichtleiters. Das eingespeiste Licht durchläuft die Glasfaser auf mehreren Strecken - die Einzelstrahlen werden unterschiedlich oft reflektiert, wodurch sie unterschiedlich lange Zeit benötigen, um die Faser zu durchlaufen. Durch Interferenz bilden sich stehende Wellen aus: die Moden.

Optisches MIMO

Die Moden machen sich die Forscher zunutze: Sie können einzeln moduliert werden, dasselbe Prinzip nutzt jeder moderne Funkstandard unter dem Namen Multiple Input Multiple Output (MIMO). Im Empfänger werden die einzelnen Moden-Signale mittels digitaler Signalverarbeitung wieder getrennt. Jede Mode überträgt so einen eigenen Datenstrom.

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Dafür muss die Glasfaser allerdings speziell entworfen sein, damit die Ausbreitungscharakteristika der einzelnen Moden möglichst gleich sind. Werden die Laufzeitunterschiede der Moden zu groß oder einzelne Moden zu stark abgeschwächt, macht das die MIMO-Dekodierung aufwändiger. Verwendet wurde daher eine 25,9 km lange, von Prysmian eigens entwickelte Multi-Mode-Faser für 55 Moden. Deren Aufbau entspricht dem weitgehenden Standard mit einer Faserdicke von 125 Mikrometern.

Hohe spektrale Effizienz

Die 55 Moden genügen allerdings noch nicht, um Petabit/s zu übertragen. Abzüglich redundanter Daten für die Fehlerkorrektur und 16-stufiger Quadraturamplitudenmodulation (QAM) mit Polarisationsmultiplexing – das ergibt zwei mal vier Bit pro Symbol – überträgt jede Mode im Mittel etwa 8 Terabit pro Sekunde. Wie bei anderen Arbeiten auch wird daher noch Wellenlängenmultiplex genutzt, also unterschiedliche Lichtfarben, die als optischer Frequenzkamm (g+) mit 184 Einzelfrequenzen erzeugt werden.

Mit all diesen Modulationsmechanismen erreichen die NICT-Forscher eine spektrale Effizienz von 332 Bit pro Sekunde pro Hertz Übertragungsbandbreite. Zum Vergleich: Der aktuelle Geschwindigkeitsrekord von 10,66 PBit/s erreicht 1.158,7 Bit pro Sekunde pro Hertz Bandbreite, benötigt dafür allerdings 38 Fasern. Das optische MIMO hat daher großes Steigerungspotenzial, da die räumliche Dimension getrennter Fasern noch gar nicht genutzt wird.

Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Datenrate ist noch im Spektrum möglich: Für die Arbeit wurde lediglich das optische C-Band verwendet, eines der in der Telekommunikation gebräuchlichen Frequenzbänder. Käme noch das L-Band hinzu, ließe sich die Datenrate durch das doppelt so große Spektrum idealerweise ebenfalls verdoppeln. Der Versuchsaufbau nimmt aktuell noch viel Platz ein, Multi-Mode-Fasern sind aber bereits im Einsatz. Eine Weile wird es allerdings noch dauern, bis die Arbeit der Forscher sich in realen Netzwerken wiederfindet.

Vorgestellt haben die Forscher ihre Ergebnisse im September 2022 auf der European Conference on Optical Communication (ECOC), ein Paper findet sich allerdings aktuell nicht.

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