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Hohe Datenraten Die maximale Geschwindigkeit in optischen Glasfasernetzen

| Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Ein Forscher der HfTL hat zusammen mit Kollegen der EPFL in Lausanne eine Methode entwickelt, um Daten mit der maximal möglichen Symbolrate in optischen Glasfasern zu übertragen. Glasfasern haben eine immense Kapazität und sind damit bislang in der Lage, die riesigen, täglich erzeugten Datenmengen zu transportieren.

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Daten mit der maximalen Symbolrate übertragen: eine einfache Pulsfolge soll helfen, Daten in optischen Glasfasernetzen zu übertragen.
Daten mit der maximalen Symbolrate übertragen: eine einfache Pulsfolge soll helfen, Daten in optischen Glasfasernetzen zu übertragen.
(Jmani Caillet / EPFL )

Die Datenrate in den weltweiten Kommunikationsnetzen steigt derzeit mit einer Rate von 38 Prozent pro Jahr. Getrieben durch das hochauflösende und demnächst wahrscheinlich das ultra-hochauflösende Fernsehen on-demand, aber auch Smartphones, Tablets und andere Geräte mit immer höherer Bandbreite. Die Frage ist, wie sich mit bestehenden Glasfaserkabeln Daten mit der maximal möglichen Symbolrate übertragen? Thomas Schneider, Professor der Hochschule für Telekommunikation Leipzig (HfTL), hat während seines Aufenthalts als Gastprofessor an der EPFL in Lausanne, Schweiz, zusammen mit den Arbeitsgruppen von Camille Sophie Brés und Luc Thévenaz eine Methode mit relativ wenig Aufwand entwickelt.

Die Phase und die Frequenz des Lichts beeinflussen

Dabei spielen die Lichtsignale, die in den Fasernetzen übertragen werden, eine entscheidende Rolle. Diese Lichtsignale sind elektromagnetische Wellen, deren Parameter in Abhängigkeit von der zu übertragenden Information verändert werden. Die Lichtsignale in den Glasfasern haben Wellenlängen von 1550 nm und liegen damit im Bereich des nahen Infrarot. Das Licht, welches der Mensch direkt mit seinen Augen sehen kann, hat hingegen Wellenlängen zwischen 800 nm (Rot) und 400 nm (Violett).

Der einfachste Parameter des Lichts der verändert werden kann, ist die Amplitude. Das Licht wird also einfach an- und ausgeschalten, je nachdem ob eine 1 oder eine 0 des digitalen Signals übertragen werden soll. Um höhere Datenraten übertragen zu können, werden heute auch die Phase, oder die Frequenz des Lichts zur Übertragung der Information genutzt. Diese Veränderung der Parameter der Welle, in Abhängigkeit von dem zu übertragenden Signal, wird Modulation genannt. Eine solche Modulation führt dazu, dass neue Wellen mit neuen Frequenzen entstehen. Je höher die zu übertragenden Datenraten sind, umso mehr Frequenzen werden dazu benötigt. Die Menge der Frequenzen, die für das modulierte Signal benötigt werden, wird als Spektrum bezeichnet.

Jeder Kanal ein rechteckförmiges Spektrum

Eine Glasfaser kann nur eine bestimmte Menge von Frequenzen, und damit nur eine bestimmte maximale Menge an Information transportieren. Damit eine Vielzahl an Information gleichzeitig in der Glasfaser übertragen werden kann, wird das gesamte zur Verfügung stehende Spektrum der Faser in einzelne Kanäle aufgeteilt, so wie die Fahrspuren auf einer Autobahn. Die maximal mögliche Menge an Information lässt sich transportieren, wenn die Kanäle so dicht wie möglich gepackt werden können. Damit das möglich wird, muss jeder einzelne Kanal ein rechteckförmiges Spektrum aufweisen.

Ein rechteckförmiges Spektrum bedeutet aber, dass das Signal mit einer Sinus-Cardinalis- (sinc-)Funktion moduliert werden muss. Diese Funktion ist aber unendlich lang ausgedehnt und damit praktisch leider nicht realisierbar. Es gab bereits mehrere Versuche solche Pulse zu erzeugen und für die Datenübertragung zu nutzen, allerdings sind diese meist sehr aufwändig und besitzen kein rechteckförmiges Spektrum, oder sie sind nicht in der Lage, die gesamte Bandbreite der Glasfaser zu füllen.

Pulse lassen sich einfach erzeugen

Während seiner Gastprofessur entwickelte Thomas Schneider von der HfTL in Diskussionen mit Kollegen die entscheidende Idee, an Stelle eines einzelnen sinc-Pulses, eine Pulsfolge zu nehmen. Im Gegensatz zum nur theoretisch realisierbaren einzelnen Puls lässt sich diese Pulsfolge sehr einfach durch einen Frequenzkamm herstellen. Damit lassen sich die Pulse direkt im optischen Bereich erzeugen und jeder einzelne Kanal kann ein sehr breites, rechteckförmiges Spektrum aufweisen.

In Zusammenarbeit mit den beiden Gruppen von Camille Sophie Brés und Luc Thevénaz konnte der Nachweis erbracht werden, dass die Pulsfolge dieselben Eigenschaften für eine Datenübertragung aufweist wie die einzelnen Pulse. Gleichzeitig konnte in ersten Experimenten gezeigt werden, dass sich diese Pulse tatsächlich sehr einfach erzeugen lassen und ein annähernd ideales rechteckförmiges Spektrum haben. Für eine Realisierung in den weltweiten Glasfasernetzen müssen nur der Sender und Empfänger ausgetauscht werden. Damit eröffnen die neuen optisch erzeugten Pulse die Möglichkeit, Daten mit der maximalen Geschwindigkeit über optische Glasfasern zu übertragen.

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