Hochleistungsfähige Glasfasernetze Höhere Datenraten durch bessere Multiplex- und Verstärkertechniken

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Dank neuer Ansätze bei Multiplex- und Verstärkertechniken ist es möglich, die Kapazität und Effizienz von optischen Netzen zu erhöhen. Optische Schalter mit Flüssigkristallspiegeln verkleinern die Datenpakete, sodass mehr Daten durchs Netz gehen.

Glasfaserkabel übertragen Signale nahezu mit Lichtgeschwindigkeit und ermöglichen enorme Datenraten. Dennoch stoßen herkömmliche faseroptische Systeme an physikalische Grenzen, insbesondere mit Blick auf steigende Anforderungen durch Anwendungen wie das Metaverse, KI-gestützte Datenverarbeitung und Quantenkommunikation. Um Glasfasernetze für die Zukunft zu optimieren, haben Forscher des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF in den Projekten WESORAM und Multi-Cap bessere Ansätze zur Kapazitätserhöhung und Signalsteuerung entwickelt.

Moderne Glasfasernetze nutzen bereits das Wellenlängenmultiplexverfahren (WDM), bei dem verschiedene optische Kanäle auf separaten Wellenlängen durch eine einzelne Faser übertragen werden. Ein spektrometrisches Gitter teilt das einfallende Licht in diskrete Spektralbereiche, die anschließend über einen Liquid-Crystal-on-Silicon- (LCoS-)Spiegel weitergeleitet werden. Dieses Verfahren ist jedoch auf ein begrenztes Spektrum an Wellenlängen und eine festgelegte Bandbreite beschränkt.

Acht Eingangskanäle auf 16 Ausgangskanäle verteilen

Im Projekt WESORAM (Wellenlängenselektive Schalter für optisches Raummultiplex) hat das Team um Dr. Steffen Trautmann die LCoS-Technologie so erweitert, dass nicht nur mehrere Frequenzen pro Faser übertragen werden können (WDM), sondern auch eine Verteilung der Signale auf mehrere Fasern (Raummultiplexing, SDM – Space Division Multiplexing) möglich ist. Der entscheidende Fortschritt liegt in der Kreuzverschaltung der Signale: Jede eingehende Frequenz kann flexibel auf verschiedene Ausgangsfasern geroutet werden. Damit wird das herkömmliche Prinzip „mehrere Frequenzen pro Faser“ um das Konzept „eine Frequenz auf mehrere Fasern“ ergänzt.

Diese Technologie erhöht die Netzwerkkapazität erheblich, indem sie es ermöglicht, Signale von acht Eingangskanälen flexibel auf 16 Ausgangskanäle zu verteilen. Besonders bei der Übertragung über große Distanzen, wie sie in der Fernvernetzung zwischen Rechenzentren oder für zukünftige 6G-Netze erforderlich ist, bringt die höhere Flexibilität entscheidende Vorteile.

Ein weiterer Vorteil liegt in der reduzierten Anzahl optischer Schalter, was nicht nur die Netzwerkinfrastruktur vereinfacht, sondern auch die Betriebskosten senkt. Da optische Schalter kostenintensiv sind und Energie verbrauchen, verbessert die Technologie nicht nur die Performance, sondern auch die Energieeffizienz der Netze.

Höhere spektrale Auflösung für mehr Durchsatz

Zur weiteren Optimierung des Multiplexverfahrens wurde im Rahmen des Projekts ein neu entwickeltes optisches Gitter mit höherer spektraler Auflösung eingesetzt. Während aktuelle Systeme typischerweise eine spektrale Auflösung von 100 GHz (ungefähr 0,8 nm) erreichen, ermöglicht der neue LCoS-Spiegel eine Auflösung von bis zu 25 GHz (ungefähr 0,2 nm). Diese verbesserte Auflösung reduziert die Bandbreite der einzelnen Datenkanäle um den Faktor vier, wodurch sich eine größere Anzahl an Datenpaketen gleichzeitig durch das Glasfasernetz transportieren lässt.

Die Integration dieser neuen Komponenten erforderte eine hochpräzise Optikfertigung. Die Forscher des Fraunhofer IOF entwickelten ein speziell angepasstes spektrometrisches Gitter mit optimierten Strahlteilereigenschaften mittels Ultrapräzisionstechnologie. Dadurch konnten sie alle benötigten optischen Elemente in einem kompakten, miniaturisierten Modul vereinen, das sich in bestehende Netzwerkstrukturen integrieren lässt.

Multi-Cap: Signalverstärker für Mehrkernfasern

Das Projekt Multi-Cap ergänzt WESORAM durch die Entwicklung neuer Verstärkertechnologien für Mehrkernfasern. Während klassische Glasfasern nur einen Signalkern besitzen, ermöglichen moderne Mehrkernfasern die parallele Übertragung auf mehreren Kernen innerhalb eines einzigen Kabels. Trotz der erhöhten Kanalzahl bleibt der Außendurchmesser der Fasern nahezu unverändert, wodurch eine Skalierung der Netzwerke möglich wird, ohne bestehende Infrastruktur drastisch verändern zu müssen.

Das Fraunhofer IOF entwickelte für diese Mehrkernfasern ein neuartiges Verstärkermodul, das bis zu zwölf Kanäle simultan verstärken kann. Die Verstärkung von über 20 dB pro Kanal stellt sicher, dass die Signale auch über lange Distanzen hinweg verlustfrei transportiert werden können. Zudem verbessert das System die Energieeffizienz erheblich, da ein einziges Verstärkermodul für alle zwölf Kanäle ausreicht, anstatt für jeden Kanal einen separaten Verstärker zu benötigen.

Zukunftssichere Glasfasernetze

Die Fortschritte aus den Projekten WESORAM und Multi-Cap zeigen, dass Glasfasernetze durch verbesserte Multiplex- und Verstärkungstechnologien erheblich leistungsfähiger und effizienter gestaltet werden können. Die Kombination aus spektraler und räumlicher Multiplexing-Technologie sowie die Skalierbarkeit durch Mehrkernfasern eröffnen neue Möglichkeiten für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung. Besonders für Anwendungen mit extrem hohem Bandbreitenbedarf, wie vernetzte Quantencomputer oder die Echtzeitverarbeitung großer KI-Modelle, sind diese Technologien essenziell.

Durch die enge Zusammenarbeit mit Partnern wie Adtran Networks und Holoeye Photonics konnten die entwickelten Komponenten zudem bereits in funktionale Prototypen überführt werden. Der nächste Schritt besteht darin, diese Technologien in großflächige Netzwerkinfrastrukturen zu überführen und so die Weichen für die nächste Generation optischer Kommunikationssysteme zu stellen. (heh)

Rekord bei Glasfaserübertragung

800 GBit/s über einen einzelnen Kanal

Optische Datenübertragung

Weltrekord: 22,9 Petabit pro Sekunde über eine Glasfaser

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