Wie lässt sich die Glasfasertechnologie weiter optimieren, um für Anwendungen wie autonomes Fahren, 6G-Mobilfunk oder auch Quantenkommunikation leistungsstark genug zu sein? Fraunhofer-Forschende verfolgen vielversprechende Ansätze, die faseroptischen Systeme weiter zu optimieren.
Glasfaserkabel transportieren Signale annähernd in Lichtgeschwindigkeit und können selbst große Datenmengen sehr schnell übertragen. Doch für Zukunftstechnologien sind herkömmliche faseroptische Systeme nicht mehr leistungsstark genug. In den Projekten »WESORAM« und »Multi-Cap« arbeitete das Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in Jena gemeinsam mit Partnern daran, die Glasfasertechnologie weiterzuentwickeln.
Heute schon kommen in der Glasfaserübertragung Techniken wie das Wellenlängen-Multiplexverfahren zum Einsatz. Dabei wird Licht, das als Träger für den Datenstrom fungiert, mithilfe eines optischen Schalters in mehrere Frequenzen gesplittet. Ein spektrometrisches Gitter teilt das Signal in verschiedene Wellenlängen und schickt diese an einen Flüssigkristallspiegel (LCoS, Liquid Crystal on Silicon). Der leitet die Signale an die Ausgangsfaser weiter; so können in jeder Faser mehrere Datenströme transportiert werden. Das Verfahren ist jedoch nur in einem begrenzten Frequenzspektrum nutzbar.
Raummultiplexverfahren
Im Projekt »WESORAM« (Wellenlängenselektive Schalter für optisches Raummultiplex) haben Forschende des Fraunhofer IOF die Technologie gemeinsam mit Projektpartnern weiterentwickelt. Zunächst hat man den Schaltmechanismus des LCoS-Schalters so flexibilisiert, dass er die Weiterleitung des Datenstroms in beliebige Fasern ermöglicht. Nachdem das Gitter das eingehende Lichtsignal in Frequenzen gesplittet hat, schickt der Flüssigkristallspiegel jede Frequenz auf eine andere Faser. Das herkömmliche Wellenlängen-Multiplexverfahren wird also zu einem Raum-Multiplexverfahren ausgeweitet. Ergänzend zum Prinzip »mehrere Frequenzen- eine Faser« ist damit auch das Prinzip »eine Frequenz, mehrere Fasern« anwendbar.
»In unserem Projekt ist es gelungen, die Signale von acht Eingangskanälen beliebig auf 16 Ausgangskanäle zu schicken«, erklärt Dr. Steffen Trautmann, Projektleiter und Experte für optische Systeme. »Durch diese Kreuzverschaltung steigt die Kapazität der Netze, denn das Senden und Weiterleiten der Datenströme ist viel flexibler. Das ist besonders nützlich, wenn die Daten über längere Strecken geschickt werden, zum Beispiel zwischen Städten.« Ein weiterer Vorteil ist, dass insgesamt weniger optische Schalter für das Glasfasernetz benötigt werden. Dadurch sinken die Kosten bei der Installation und im laufenden Betrieb.
Mehr Durchsatz dank kleinerer Datenpakete
In einem nächsten Schritt ist es den Forschenden aus Jena gelungen, die Auflösung des Optikmoduls durch ein neu entwickeltes Gitter zu erhöhen. »Derzeit markiert eine spektrale Auflösung von 100 GHz (circa 0,8 nm) den Stand der Technik. Der von uns entwickelte Spiegel schafft bis zu 25 GHz (circa 0,2 nm)«, verdeutlicht Dr. Trautmann den Innovationssprung. Dank der höheren Auflösung ist die Lichtfrequenz des Datenstroms um den Faktor 4 schmalbandiger, die Datenpakete sind dementsprechend kleiner. So lassen sich viel mehr Datenpakete gleichzeitig durch die Lichtleiter schicken.
Projektpartner sind der Netzwerkspezialist Adtran Networks aus Meiningen sowie das Berliner Unternehmen Holoeye Photonics, das sich auf optische Systeme spezialisiert und den Flüssigkristallspiegel gebaut hat. Die Expertinnen und Experten des Fraunhofer IOF waren für das Optikdesign zuständig, haben für das spektrometrische Gitter einen Strahlteiler mittels Ultrapräzisionstechnologie entwickelt und alle Komponenten in einem winzigen Bauteil integriert.
Multi-Cap-Verstärker bedient Mehrkernfasern
Ergänzt wird WESORAM durch das Projekt Multi-Cap. Hier arbeiten die Forschenden daran, die Zahl der Kanäle für die parallele Datenübertragung zu erhöhen. Klassische Glasfasern enthalten einen Datenkanal und einen Signalkern, Mehrkernfasern dagegen nutzen mehrere Kerne für die Datenübertragung. Obwohl diese Kabel viel mehr Leiter enthalten, sind sie kaum dicker. Das Team am Fraunhofer IOF hat die für Mehrkernfasern nötigen Signalverstärker entwickelt. Diese können bis zu zwölf Kanäle gleichzeitig bedienen und liefern eine Verstärkung von mehr als 20 dB pro Kanal. Die Technik ist deutlich energieeffizienter, da nur ein Verstärkermodul für zwölf Kanäle erforderlich ist.
