Experiment zur adaptiven Optik in den Alpen ebnet den Weg für Terabit

Forscher in der Schweiz haben zwischen einem Alpengipfel und einem Observatorium der Universität Bern optische Daten mit Raten von mehr als 10 Tbit/s gesendet und empfangen – eine Distanz von 53 Kilometern. Das ist mehr als das Fünffache, was für den Aufbau einer Satelliten-Boden-Kommunikationsverbindung erforderlich wäre, und das Team sagt, dass die Methode genutzt werden könnte, um schnellere und kostengünstigere Internetverbindungen für Satellitenkonstellationen in erdnahen Umlaufbahnen zu schaffen .

Satellitenkonstellationssysteme wie Starlink von SpaceX (ein Netzwerk aus mehr als 2000 erdnahen Satelliten) versprechen, der Welt über weltraumgestützte Laserkommunikation einen Internetzugang zu ermöglichen. Das Prinzip besteht darin, dass Gebiete, die keinen Zugang zur Glasfaserkabeltechnologie haben, die das Rückgrat des modernen Internets bildet, stattdessen über Satelliten an das optische Netzwerk angeschlossen werden könnten.

Derzeit basiert die Datenübertragung zwischen Satelliten und Bodenstationen hauptsächlich auf Hochfrequenztechnologien, die im Mikrowellenbereich des elektromagnetischen Spektrums arbeiten und Wellenlängen von Zentimetern haben. Laseroptische Systeme hingegen arbeiten im nahen Infrarotbereich und ihre Wellenlängen im Mikrometerbereich sind etwa 10.000 Mal kürzer als Radiowellen. Dadurch können sie mehr Daten in der gleichen Zeit transportieren. Tatsächlich haben mehrere frühere Experimente gezeigt, dass optische Freiraumkommunikationstechnologien Daten mit Raten von 100 Gbit/s über Entfernungen von bis zu 10 km und 1 Tbit/s über Entfernungen von bis zu 3 m in einem einzigen Kanal übertragen können.

Der Nachteil besteht darin, dass solche Systeme auf fortschrittlichen Modulationsformaten höherer Ordnung basieren und daher hohe Signal-Rausch-Verhältnisse erfordern, die nur über relativ kurze Entfernungen möglich sind. Zukünftige Satellitenverbindungen erfordern zudem noch höhere Datenraten in der Größenordnung von 500 Gbit/s oder mehr.

In der neuen Arbeit stellten Forscher um Jürg Leuthold, Leiter des Departements Informationstechnologie und Elektrotechnik (D-ITET) der ETH Zürich, eine optische Satellitenkommunikationsverbindung zwischen der Höhenforschungsstation auf dem Jungfraujoch und dem Zimmerwald-Observatorium her in der Nähe von Bern. Dabei zeigten sie, dass sich ein Laserstrahl effizient durch atmosphärische Turbulenzen ausbreiten kann, die normalerweise die Bewegung der Lichtwellen und damit die Datenübertragung negativ beeinflussen würden.

Dieses Kunststück gelang den Forschern, indem sie die Lichtwelle des Lasers so modulierten, dass der Empfänger verschiedene Zustände erkennen konnte, die in einem einzigen „Symbol“ kodiert waren. Das bedeutet, dass jedes Symbol mehr als ein Bit an Information übertragen kann. Beispielsweise kann ein Schema mit 16 Zuständen bei jeder Schwingung der Lichtwelle vier Bits übertragen, während eines mit 64 Zuständen sechs Bits übertragen kann.

„Mehrere Schlüsselkomponenten haben diesen Erfolg ermöglicht“, sagt Studienleiter Yannik Horst. Auf Senderseite erklärt er, dass das Team die Informationen auf energieeffiziente Weise kodiert, indem es ein kohärentes Modulationsformat wie eine polarisationsmultiplexte 64-Quadratur-Amplitudenmodulation (64-QAM) verwendet. Anschließend senden sie es mit sehr hoher Präzision (einige zehn Mikroradianten) in Richtung des Empfängers am Observatorium. Nachdem das Licht schließlich eine turbulente Atmosphäre von 53 km durchlaufen hat, korrigiert ein adaptives Optiksystem an der Empfangsstation den Phasenfrontfehler der elektromagnetischen Welle.

„Die adaptive Optik führt zu einem etwa 300-mal stärkeren Signal in der Glasfaser“, sagt Horst gegenüber Physics World. „Die Verbesserung ist auch darauf zurückzuführen, dass der optische Baustein über eine hohe Empfängerempfindlichkeit verfügt – für eine fehlerfreie Datenübertragung sind nur wenige Photonen pro Bit erforderlich.“

Auf dem Boden geblieben

Horst und Kollegen sagen, dass ihre neue Technik uns einen Schritt näher an Satelliten-Erde- und Intersatelliten-Kommunikationsverbindungen bringen sollte, die auf optischen Technologien basieren und sehr hohe Datenraten pro Kanal erreichen können – viel höher, als es mit Hochfrequenztechnologien möglich ist. Solche Verbindungen könnten eines Tages als Rückgrat für das terrestrische Glasfasernetz dienen und letztendlich „die Unvernetzten verbinden“ in Bereichen, in denen der Einsatz gängiger Kommunikationstechnologien wie Glasfaser nicht möglich ist.

Die Forscher, die über ihre Arbeit in Science berichten, untersuchen derzeit ein neuartiges Modulationsformat namens 4D-BPSK. „Wir glauben, dass dieses Format aufgrund seiner sehr hohen Empfindlichkeit auch auf andere optische Anwendungen angewendet werden könnte“, sagt Horst.