08 Aug Space Division Multiplexing für Glasfasernetze der Zukunft
Konventionelle Systeme für die Übertragung mittels Glasfasern verwenden Singlemode-Fasern, die aufgrund ihrer nichtlinearen Eigenschaften für die heutigen exponentiell wachsenden Datenmengen an ihre Kapazitätsgrenzen stoßen. Dies hat zur Entwicklung mehrerer neuartiger optischer Fasern geführt, deren Kapazität durch räumliche Parallelität erhöht wird. Diese als Raum-Multiplexing oder Space Division Multiplexing (SDM) bezeichnete Technologie soll bereits eine Erhöhung der Datenraten pro Faser um den Faktor 100 demonstriert haben.
Um einen kommerziell erfolgreichen Einsatz dieser Technologie in zukünftiger Infrastruktur zu gewährleisten, muss ein gesamtes SDM-Ökosystem entwickelt werden. Darauf zielt die neu gegründete Forschungsgruppe ‚Space Division Multiplexing‘ in der Abteilung ‚Photonische Netze und Systeme‘ des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts (HHI) ab. Finanziert wird die Forschung im Rahmen des Förderprogramms ‚Fraunhofer Attract‘. In dem Projekt SpaceCOMM (Space-Division Multiplexing for Classical and Quantum Optical Fiber Communications) wollen die Forschenden nach eigenen Angaben praktische Anwendungsfälle für SDM-Technologie untersuchen. Dabei arbeiten sie eng mit Forschenden anderer Gruppen und Abteilungen des Fraunhofer HHI zusammen, um vier Schlüsselziele der Effizienzsteigerung zu verfolgen.
Parallel Signalverarbeitung in Echtzeit
Das erste Ziel ist die digitale Signalverarbeitung mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen in Echtzeit. Um die Effizienz von räumlich begrenzten Glasfaserkabeln zu steigern, untersuchen die Forschenden Digital-Signal-Processing-Funktionen (DSP) in Mehrkern-Glasfasern. Dabei kann jeder einzelne Faserkern zur Signalübertragung genutzt werden, sodass unterschiedliche Signale zeitgleich durch ein Kabel übermittelt werden. So soll sich die Anzahl an Fasern erheblich reduzieren lassen. Echtzeit- und Hochgeschwindigkeits-DSP-Funktionen tragen dazu bei, die Informationen aus mehreren räumlichen Kanälen wiederherzustellen, die während der Übertragung in einer gekoppelten SDM-Faser gemischt wurden.
In SpaceCOMM untersuchen die Forschenden Transceiver-Chips, die mehrere Sender- als auch Empfängermodule aufweisen und somit parallele Datenübertragung möglich machen. Dadurch können Daten energiesparender und kostengünstiger übertragen werden. Das zweite Ziel ist laut den Forschenden daher die Entwicklung von Transceiver-Bausteinen, die für die SDM-Übertragung optimiert sind und räumliche Multiplexing-Funktionen enthalten, um die Transceiver direkt mit der neuen SDM-Faser zu verbinden.
Gesteigerte Energieeffizienz von Faserverstärkern
Das dritte Ziel der Forschungsgruppe ist die Untersuchung energieeffizienter optischer Verstärker für SDM. Da Glasfaserübertragungen nicht ohne Leistungsverluste möglich sind, werden alle 50 bis 100 km erbiumdotierte Faserverstärker (Erbium-doped Fiber Amplifiers, EDFAs) an den Leitungen angebracht. Aufgrund des Absorptionsspektrums von EDFAs können verschiedene Wellenlängenkanäle unterschiedliche Verstärkungen erzielen. Die Forschenden wollen anhand ihrer Untersuchungen das bestmögliche Verhältnis von erforderlicher elektrischer Leistung und erreichbarer Verstärkung von EDFAs finden. Derartige Überlegungen zur Energieeffizienz sind besonders wichtig bei Unterseekabeln, deren Kapazität in der Regel durch die elektrische Leistung begrenzt ist, die von der Küste geliefert werden kann.
Bei vollem Erfolg werden die Ziele eins bis drei zu einem Systemdemonstrator eines gekoppelten SDM-Übertragungssystems kombiniert. Bei diesem sollen voll integrierte SDM-Sende-Empfangs-Einheiten und EDFAs mit geringer Bandbreite zum Einsatz kommen.
Anwendung in der Quantenkommunikation
Als viertes Ziel soll die Nutzung von SDM-Fasern für die Quantenschlüsselübertragung (Quantum Key Distribution, QKD) untersucht werden. Bei diesen speziellen Datentransfers können keine Faserverstärker eingesetzt werden, daher ist die Übertragungsdistanz der herkömmlichen QKD-Übertragung durch den Datenverlust der Glasfasern begrenzt. Eine Möglichkeit, sowohl die Übertragungsrate als auch die -distanz zu erhöhen, ist der Einsatz hochdimensionaler Quantenschlüssel. Neuartige SDM-Fasern haben das Potenzial, solche hochdimensionalen Quantenschlüssel zu implementieren, so die Forschenden.
Disruptive Technologie zur Marktreife bringen
„Beim derzeitigen Stromverbrauch des Internets müssen wir neue Ansätze finden, um die Effizienz unserer Infrastruktur zu erhöhen, so dass wir Energie und Kosten einsparen können“, so Professor Dr.-Ing. Georg Rademacher, der die neu gegründete SDM-Gruppe am Fraunhofer HHI leiten wird. „Fraunhofer Attract ermöglicht uns, die aktuellen Forschungserkenntnisse im Bereich Space Division Multiplexing näher an die Marktreife zu bringen. Darüber hinaus stärken wir mit unserer Forschung Deutschland als Standort für Optische Kommunikation: Die SDM-Technologie ist so disruptiv, dass ihre Implementierung viele Innovationen hervorbringen wird.“ Die Gruppe wurde im April 2023 gegründet und wird mit einer Laufzeit von 5 Jahren mit 2,5 Millionen Euro gefördert.
Quelle: www.hhi.fraunhofer.de
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