Datenübertragung via Glasfasern optimieren

Neue Technik zur Datenübertragung via Glasfaser

Glasfasern für die Datenübertragung zu verlegen ist teuer. Deshalb wollen die Netzbetreiber vorhandene Kapazitäten besser ausschöpfen. In Darmstadt haben Forscher dafür eine neue Art von Laserdiode entwickelt.

Glasfasern können Tausende von Gigabyte Daten pro Sekunde übertragen. Kupferkabel hingegen schaffen weniger als ein Tausendstel dieser Datenrate, sind aber heute noch vielerorts anzutreffen. Denn neue Glasfaserleitungen kosten. Vorhandene Kapazitäten sollen daher besser ausgenutzt werden.

„Multiplexing war Schlüsselinnovation“

Ein Mittel hierzu ist das sogenannte Multiplexing, das bis zu 80 Signale bündelt und gleichzeitig durch eine Glasfaser leitet. „Das Multiplexing war die Schlüsselinnovation, die das heutige Breitband-Internet und das mobile Internet erst ermöglicht hat“, sagt Franko Küppers, Leiter des Fachgebiets Photonik und Optische Nachrichtentechnik an der TU Darmstadt. Sein Team vom Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik hat die Technologie entscheidend verbessert.

Kernstück ist ein mikroelektromechanisches System (MEMS), welches mit einer Laserdiode integriert wird und dieser eine neue Eigenschaft verleiht. Laserdioden emittieren Licht einer bestimmten Wellenlänge. Sie speisen Lichtpulse mit dieser Farbe in die Glasfasern ein. Beim optischen Multiplexing braucht man bis zu 80 verschiedene Laserdioden unterschiedlicher Farbe. Denn jeder Informationskanal sendet mit einer anderen Lichtwellenlänge.

„Das verursacht viel Aufwand“, sagt Küppers. Denn zum einen erfordere es eine sehr hohe Präzision in der Herstellung, damit die Diode genau die gewünschte Wellenlänge emittiert. Dabei entstehe viel Ausschuss. Zudem anderen müssten für alle 80 Kanäle Ersatzdioden vorgehalten werden.

Flexible Laserdiode

Die Alternative der Darmstädter ist eine wellenlängenabstimmbare Laserdiode. Die ausgesendete Wellenlänge lässt sich – in einem gewissen Rahmen – frei wählen. Vergleichbar ist das mit einem Saiteninstrument, bei dem mit einer Saite verschiedenste Töne erzeugt werden können. Mit der Technik lässt sich der Ausschuss verringern und auch 80 verschiedene Ersatzteile müssen nicht mehr vorgehalten werden. Zudem sind die neuen Dioden flexibler – die Wellenlänge lässt sich während des Betriebs in Sekundenschnelle verändern. So kann die Bandbreite pro Farbkanal ständig dem aktuellen Bedarf angepasst und optimal ausgenutzt werden.

Der Laser ist vergleichbar mit einem Rohr, an dessen beiden Enden je ein Spiegel sitzt. Zwischen ihnen wird Licht hin und her reflektiert. Der Abstand der beiden Spiegel gibt die Lichtfarbe vor, die der Laser aussendet.

Die Forscher setzen nun an das eine Ende einer herkömmlichen Laserdiode einen beweglichen Spiegel. Dieser besteht aus einer stark spiegelnden Membran aus Siliziumoxid und Siliziumnitrid mit etwa einem Zehntel Millimeter Durchmesser. Vier Stützen halten ihn parallel über der Oberfläche der eigentlichen Diode.  Leitet man einen schwachen Strom durch die Stützen, dehnen sie sich aus und der Spiegel entfernt sich ein Stück von der Oberfläche der Diode. Diese Abstandsänderung verschiebt die in Glasfasern standardmäßig verwendete Wellenlänge von 1.550 Nanometern (Millionstel Millimeter) um bis zu 100 Nanometer.

Die Technik haben die Darmstädter mit einem Industriekonsortium weiterentwickelt. Sie erreicht jetzt eine sehr hohe Datenrate von rund 12 Gigabit pro Sekunde. Das Verbundprojekt hat einen für die Massenfertigung tauglichen Prototypen entwickelt, der im industriellen Umfeld eines der Partner getestet werden soll.

Bild: Katrin Binner / TU Darmstadt