Wie Glasfasern mehr Daten leiten können

Jede Sekunde reisen viele Terabyte an Daten durch das erdumspannende Glasfasernetz. Mit verschiedenen Wellenlängen und Polarisationsebenen gehen Informationstechniker an die physikalischen Grenzen dieser optischen Datenleitungen. Wie sich der Datentransport mit infraroten Lichtwellen noch effizienter gestalten ließe, fanden nun Wissenschaftler in einem Grundlagenexperiment heraus. In der Fachzeitschrift „Science“ berichten sie über eine ausgeklügelte Methode, um optische Datensignale über weitere Strecken ohne aufwendige Verstärkung zu übermitteln.

„Unser Ansatz könnte genutzt werden, um auf die heute wichtigen Repeater in den Glasfasernetzwerken zu verzichten“, schreiben Eduardo Temprana und seine Kollegen von der University of California San Diego in La Jolla. Bisher werden die datentragenden Lichtwellen über Streuungen und nichtlineare Effekte so stark abgeschwächt, dass etwa alle 80 Kilometer ein Verstärkermodul die Signalqualität wieder auffrischen muss. Aber diese Störungen, verursacht durch die parallel gesendeten Lichtpulse verschiedener Wellenlängen, treten nicht zufällig auf. Sie lassen sich prinzipiell vorhersagen und am Zielort wieder umkehren, um die ursprüngliche Signalqualität zu erhalten.

Optische Datenübertragung

Diese Idee testete das Team um Temprana im Labor zuerst mit einer etwa einen Kilometer langen Glasfaser. Zwei Lichtpulse mit 1588 und 1558 Nanometer Wellenlänge speisten sie in den Lichtleiter ein. Wichtig für die Umkehrung der nichtlinearen Wechselwirkung in der Glasfaser war dabei, die Frequenz der beiden Lichtpulse exakt zu kennen. Zudem wurden sie mit Hilfe eines speziellen optischen Moduls, eines sogenannten Frequenzkamms, aufeinander abgestimmt. Das Ergebnis: Beide Lichtpulse wiesen eine gemeinsame Kohärenz auf. Dank dieser Kohärenz ließen sich die Qualitätsverluste durch die nichtlinearen Effekte deutlich reduzieren.

In einem zweiten Experiment verlängerten die Wissenschaftler die Glasfaser auf 1020 Kilometer. Infrarote Lichtpulse, die zuvor über einen Frequenzkamm aufeinander abgestimmt wurden, zeigten auch ohne Verstärkung eine noch nutzbare Signalqualität. In einem Vergleichsexperiment mit zufällig eingespeisten Lichtpulsen war dagegen nach etwa 85 Kilometer Strecke wie erwartet eine Signalverstärkung nötig, um eine ähnliche Qualität zu erhalten.

Konkrete Datenraten konnten Temprana und Kollegen zu ihren Versuchen bisher nicht angeben. Dennoch belegten sie, dass mit aufeinander abgestimmten Lichtpulsen die Effizienz optischer Datenübertragung in Glasfasern drastisch gesteigert werden könnte. Auch die Leistung der genutzten Infrarotpulse ließe sich erhöhen. Gelingt der Schritt zur technischen Anwendung mit allen Finessen der Datencodierung über Wellenlängen, Polarisationsebenen und Amplitudenmodulation, könnte das globale Datennetz in Zukunft effizienter und günstiger genutzt werden.