Forschungskooperationen
Lichtschnelle Schalter
Nur die Übertragung per Glasfaser wird den rasant steigenden Datenverkehr bewältigen können. Forscher von Siemens und der TU Eindhoven haben ein Verfahren entwickelt, das die Kapazität von Glasfasern um ein Vielfaches erhöhen kann dank eines extrem schnellen lichtgesteuerten Schalters.
Alle sechs bis zwölf Monate verdoppelt sich die Datenmenge, die durch unsere Kommunikationsnetze fließt. Werden heute typischerweise etwa 2 Gbit/s zwischen zwei großen Städten übertragen, könnten es in fünf bis sechs Jahren bereits über 1000 Gbit/s sein viel zu viel für die herkömmliche Technik mit Kupferleitungen. Aber auch über eine Glasfaser müssten hierfür 100 verschiedene Lichtwellenlängen mit den heute üblichen 10 Gbit/s pro Wellenlänge gesendet werden, ein hoher Aufwand. Höchste Zeit also, andere, kostengünstigere Techniken zu entwickeln. Forscher einer von der EU geförderten Kooperation zwischen Siemens, dem COBRA-Institut der TU Eindhoven (Niederlande) und BTexact Technologies, dem Forschungsbereich der British Telecom (Großbritannien), haben nun eine Glasfaserübertragung entwickelt, bei der pro Lichtwellenlänge 160 Gbit/s übertragen werden können. Sie tauften das Projekt FASHION (UltraFast Switching in High-Speed OTDM Networks). Damit wären für 1000 Gbit/s nur noch sieben statt 100 unterschiedliche Wellenlängen notwendig. Das senkt die Kosten, da entsprechend weniger Bauteile gebraucht werden.
Beim benutzten Verfahren des Optical Time Division Multiplexing (OTDM) schickt ein einziger Laser mehrere Datenströme in 16 unterschiedlichen Kanälen zeitlich versetzt auf die Reise, so dass man insgesamt auf 160 Gbit/s kommt. Die technische Herausforderung liegt in der schnellen Schalttechnik. ",Wenn alle 6,25 ps ein anderer Kanal durch einen Verteilerknoten kommt, dann muss man schon sehr schnell schalten, um einen bestimmten Datensatz auszulesen und ihn durch einen neuen zu ersetzen", veranschaulicht Projektleiter Dr. Gottfried Lehmann von Siemens Corporate Technology und Koordinator von FASHION, das Problem.
",Elektronische Komponenten sind nicht schnell genug", erklärt Lehmann, ",also haben wir es mit Licht gemacht.", Man benötigt eine Komponente, die Daten auslesen und eine, die einen Datensatz herausfiltern und durch einen anderen ersetzen kann (Add-/drop-Multiplexer). In beiden Bauteilen verändert ein zeitlich genau abgestimmter Laserpuls die Lichtsignale so, dass sie separiert und dann von elektronischen Komponenten ausgelesen werden können (siehe Kasten). ",Vor vier Jahren hat ein Kollege von Siemens Niederlande erkannt, dass wir am COBRA-Institut in Eindhoven an etwas arbeiteten, was als Add-/drop-Multiplexer geeignet ist", berichtet Professor Huug de Waardt über die Vorgeschichte, ",die physikalischen Grundlagen haben das MIT in Boston und das Heinrich-Hertz-Institut in Berlin entdeckt, aber wir hatten die Idee, sie für einen Add-/drop-Multiplexer zu nutzen.",
Im Labor: Siemens-Forscher Gottfried Lehmann testet ein neuartiges Verfahren der Datenübertragung per Glasfaser
Nach diesen ersten Kontakten startete im Jahr 2001 das FASHION-Projekt. Im Labor funktionierte die Technik schon nach kurzem einwandfrei. ",Aber im echten Leben ist vieles anders, da dehnen sich beispielsweise die Glasfasern, wenn die Außentemperatur steigt, und die Daten brauchen dann etwas länger zum Ziel", erklärt Lehmann. Darum stellte die British Telecom im Herbst 2003 eine 70 km lange, achtadrige Glasfaserstrecke zwischen Newmarket und Ipswich in England für einen Feldtest zur Verfügung. Die FASHION-Ingenieure schickten auf vier miteinander verbundenen Fasern die Signale hin und her. ",Über 280 km arbeitete der Add/drop Mulitplexer einwandfrei. Über längere Strecken wurde die Intensität für dieses Bauteil zwar zu schwach, doch empfangen konnten wir die Signale bis 550 km Entfernung", berichtet Lehmann stolz. Edmund Sikora von der British Telecom sieht das Ergebnis ebenfalls positiv: ",Noch mussten wir per Hand nachregeln, um auf Veränderungen in den Fasern zu reagieren, doch die Technik funktioniert.",
Vor allem die Knotenpunkte, also dort, wo Daten zusammenlaufen und getrennt werden, sind kritische Stellen. Sie müssen auf die maximalen Durchgangsraten ausgelegt werden, denn sonst bricht der Datenverkehr zusammen. Wenn sich Video-on-demand künftig durchsetzt also das Herunterladen ganzer Spielfilme , wird der Datendurchsatz noch schneller steigen als bisher. Dies ist nur durch schnellere Verbindungen bis zum Endkunden zu bewältigen. ",In Großbritannien wird die Glasfaserverbindung bis zum Hausanschluss kommen", ist sich Sikora sicher, ",wenn nicht in fünf, dann in zehn Jahren. Bis dahin brauchen wir für die bestehenden landesweiten Glasfasernetze eine kostengünstige, schnellere Technik. Die Ergebnisse des FASHION-Projekts sind hier sehr vielversprechend.",
Noch ist das Ziel aber nicht erreicht: ",Wir müssen das Signal vor dem Add-/drop-Multiplexer automatisch stabilisieren. Außerdem haben wir in den Tests den Kanal, den wir auslesen wollten, manuell eingestellt. Auch das muss später automatisch gehen", plant Lehmann die nächsten Schritte.
Bernhard Gerl
Schnelle Weiche für Laserpulse
Beim Optical Time Division Multiplexing (OTDM) werden mehrere Datenkanäle auf ein und derselben Lichtwellenlänge übertragen. Dies hat den Vorteil, dass man zum Senden nur einen einzigen Laser braucht. Es funktioniert, weil die Lichtpulse, die die Datenbits übermitteln, sehr kurz sind (2 ps = 2 Billionstel Sekunden) im Vergleich zum Abstand zweier Bits, der bei der herkömmlichen Übertragungsrate von 10 Gbit/s bei 100 ps liegt. Man kann daher zwischen zwei Signalen weitere einschieben, die zu anderen Kanälen gehören. Auf diese Weise wurden im beschriebenen Projekt 16 Kanäle zeitlich versetzt über die Glasfaser geschickt also eine Gesamtdatenrate von 16 × 10 Gbit/s = 160 Gbit/s pro Lichtwellenlänge erreicht.
Prinzip eines Add-/drop-Multiplexers mit vier Kanälen
Um die Daten einzuspeisen, werden zunächst die 2-ps-Laserpulse auf 16 unterschiedlich lange Glasfasern verteilt. Auf jedem Pfad fügen elektrooptische Modulatoren die digitale Information hinzu, indem sie den Lichtpuls entweder durchlassen (1) oder nicht (0). Die Pulse der 16 verschiedenen Kanäle sind aufgrund der unterschiedlichen Pfadlängen zeitlich versetzt und werden anschließend wieder auf einer Glasfaser zusammengeführt und in Richtung Empfänger geschickt. Im FASHION-Projekt beträgt die Verschiebung der Einzelpulse 6,25 ps. Zusammengehörige Daten haben wie bei der herkömmlichen Übertragung einen Abstand von 100 ps (6,25 ps × 16 Kanäle). Um sie auszulesen, müssen also alle 100 ps die Einzelpulse detektiert werden. Der Empfänger kann den für ihn bestimmten Datensatz mit dem so genannten nichtlinearen Vierwellen-Mischprozess auslesen. Bei dieser Methode sendet ein Kontroll-Laser synchron zum gewünschten Datensignal einen kurzen Puls auf einer etwas niedrigeren Lichtwellenlänge ins Empfängerbauteil. Durch die Überlagerung der beiden Pulse entsteht ein weiteres Signal, dessen Wellenlänge wieder etwas unterhalb der des Kontroll-Lasers liegt. Diese neue Lichtwellenlänge wird durch einen optischen Filter, der nur diese Wellenlänge durchlässt, isoliert. Auf eine dahinter liegende Photodiode treffen mit dieser Technik also nur Lichtpulse, die zum gewünschten Kanal gehören. Die Photodiode wandelt die Lichtsignale in elektrische um, so dass sie mit konventionellen elektronischen Bauteilen weiterverarbeitet werden können. Die Information, die in den anderen Kanälen steckt, geht dabei verloren. Dies darf nicht passieren, wenn an den Netzknotenpunkten ein einzelner Kanal nicht endgültig ausgelesen, sondern nur in eine abzweigende Leitung abgelenkt werden soll. Dazu verwendet man einen Add-/drop-Multiplexer als Weiche (siehe Bild oben). Er lässt die anderen Kanäle unverändert und speist an der Stelle des ausgekoppelten Kanals (oben Kanal 2) bei Bedarf einen neuen ein, so dass die Datenübertragungskapazität der Glasfaser immer optimal genutzt wird. Physikalisch wird dies mit einem Bauteil gelöst, in dem doppelbrechende Glasfasern, Kontrolllaser und optische Verstärker auf komplizierte Weise so zusammenarbeiten, dass die Pulse, die ausgekoppelt werden sollen, in ihrer Polarisationsrichtung gegenüber den anderen gedreht werden. Mittels Polarisationsfiltern können dann die Kanäle problemlos voneinander getrennt werden.