Roman 19

Forscher in Japan und Australien haben eine neue Multicore-Glasfaser entwickelt, die rekordverdächtige 1,7 Petabits pro Sekunde übertragen kann und gleichzeitig die Kompatibilität mit der bestehenden Glasfaserinfrastruktur beibehält. Das Team – vom japanischen National Institute of Information and Communications Technology (NICT) und Sumitomo Electric Industries sowie der Macquarie University in Sydney, Australien – gelang das Kunststück mit einer Faser mit 19 Kernen. Das ist die größte Anzahl an Adern, die in einem Kabel mit einem Standardmanteldurchmesser von 0,125 Millimetern verpackt sind.

„Wir glauben, dass 19 Kerne die höchste praktische Anzahl an Kernen oder räumlichen Kanälen sind, die man in einer Faser mit Standardmanteldurchmesser haben kann und trotzdem eine gute Übertragungsqualität aufrechterhält“, sagt Georg Rademacher, der zuvor das Projekt für NICT leitete, aber kürzlich nach Deutschland zurückgekehrt ist eine Stelle als Direktor für Optische Nachrichtentechnik an der Universität Stuttgart antreten.

Die meisten heute verwendeten Glasfaserkabel für die Fernübertragung sind einadrige Singlemode-Glasfasern (SMF). Doch SMF nähert sich seiner praktischen Grenze, da der Netzwerkverkehr aufgrund von KI, Cloud Computing und IoT-Anwendungen rapide zunimmt. Viele Forscher interessieren sich daher für Multicore-Fasern in Verbindung mit Space-Division-Multiplexing (SDM), einer Übertragungstechnik zur Nutzung mehrerer räumlicher Kanäle in einem Kabel.

„Die Kapazität der neuen zufällig gekoppelten Faser ist nicht besonders bemerkenswert. Bemerkenswert ist, dass eine Standardverkleidung verwendet wird.“ – Govind Agrawal, Universität Rochester

Es gibt zwei gängige Arten von Multicore-Fasern (MCF). Bei schwach gekoppelten MCF sind die Kerne präzise voneinander getrennt, um Übersprechen zu unterdrücken. Dies begrenzt jedoch normalerweise die Anzahl der Adern, die in ein Kabel passen.

Stattdessen hat Sumitomo Electric zufällig gekoppelte MCFs entworfen und hergestellt, bei denen die Kerne absichtlich zufällig angeordnet sind. Da keine genauen Abstände erforderlich sind, können die Kerne enger zusammengepackt werden. Dadurch erhöht sich die räumliche Dichte des Kabels und die Anzahl der verwendbaren Adern. Die zufällige Anordnung erweitert auch die Interaktion zwischen Kernen und ermöglicht es, das Licht eines Kerns mit dem Licht anderer Kerne in der Nähe zu koppeln. Wie Rademacher erklärt, nutzt ein Signal, das in einem beliebigen Kern des MCF von Sumitomo Electric übertragen wird, gleichzeitig alle 19 Kerne, sodass die Glasfaser durch Nutzung der höheren verfügbaren räumlichen Kanaldichte eine größere Datenkapazität erreicht. Die digitale Signalverarbeitung mit mehreren Eingängen und mehreren Ausgängen (MIMO) wird dann verwendet, um die einzelnen Signale auf der Empfangsseite zu trennen und zu demodulieren.

Neunzehn Kerne sind „der Sweet Spot, weil sich die Kanäle alle ähnlich verhalten, unterstützt durch die zufällige Kopplung, die dabei hilft, Schwankungen in den Fasereigenschaften auszugleichen“, sagt Rademacher. Und im Vergleich zu schwach gekoppelten MCFs, die eine individuelle Signalverarbeitung für jeden Kern erfordern, „ist nur ein minimaler Umfang an digitaler Signalverarbeitung erforderlich und reduziert so den Stromverbrauch erheblich.“

Unabhängige Branchenbeobachter stellen jedoch fest, dass andere Forscher nicht standardmäßige Glasfasern mit bis zu 32 Kernen entwickelt und 1 Petabit pro Sekunde über 200 Kilometer realisiert haben. „Die Kapazität der neuen zufällig gekoppelten Faser ist nicht besonders bemerkenswert. „Bemerkenswert ist, dass es eine Standardverkleidung verwendet“, sagt Govind Agrawal, Optikexperte an der University of Rochester in New York.

Darüber hinaus sagt Agrawal, dass schwach gekoppelte Kerne, die mehrere Modi unterstützen, Kapazitäten von mehr als 10 Pb/s erreicht haben. Auch hier handelte es sich um Fasern mit nicht standardmäßigem Manteldurchmesser, und die Entfernung war auf 11,3 km begrenzt. „Dieser Ansatz erfordert auch eine intensive Offline-Digitalsignalverarbeitung“, fügt er hinzu.

Die Verwendung von nicht standardmäßigen Glasfasern würde eine Umgestaltung der bestehenden Glasfaserinfrastruktur erfordern. MFC mit Standardummantelung hingegen bleibt mit häufig verwendeten optischen Komponenten, Geräten und Systemen kompatibel und kann die Vorteile bestehender Kabel-Massenproduktionsmethoden nutzen.

„Wir glauben, dass 19 Kerne die höchste praktische Anzahl an Kernen oder räumlichen Kanälen sind, die man in einer Faser mit Standardmanteldurchmesser haben kann und trotzdem eine gute Übertragungsqualität aufrechterhält.“ —Georg Rademacher, Universität Stuttgart

Ein weiteres wichtiges Element des Aufbaus sind neben dem neuen Kabel die optischen Chips, die sowohl Licht in die einzelnen Adern des MFC leiten als auch die Signale von den Adern am Empfangsende sammeln. Die meisten heutigen optischen Chips werden mit Methoden hergestellt, die der standardmäßigen Verarbeitung integrierter Schaltkreise auf Wafern ähneln. Dies beschränkt die Schaltkreise jedoch auf eine zweidimensionale planare Struktur, die nicht zur Geometrie des neuen MCF passt, sagt Simon Gross, Forscher am Photonics Research Center der Macquarie University.

Um das MCF mit der derzeit verwendeten Standard-SMF-Ausrüstung zu verbinden – einschließlich des Übertragungsempfängers, der zum Sammeln der NICT-Testdaten verwendet wird – haben Gross und seine Kollegen einen laserbeschrifteten kompakten Glaschip entwickelt, der ein dreidimensionales Wellenleitermuster enthält, das zur Geometrie passt der einzelnen Kerne im MCF.

„Wir ätzen mit einem Laser ein Wellenleitermuster in einen fingernagelgroßen Glasblock“, erklärt Gross. „Die Wellenleiter ermöglichen die gleichzeitige Einspeisung von Signalen in die 19 Einzelkerne der Faser mit gleichmäßig geringen Verlusten.“ Der Ätzprozess sei automatisierbar und schnell, fügt er hinzu. „Das Beschriften der Wellenleiter für den 19-Kern-MCF dauert mit nur einem Knopfdruck weniger als 30 Sekunden – obwohl die Back-End-Verarbeitung und -Verpackung viel länger dauern wird.“

Um die Übertragungsleistung des neuen MCF zu demonstrieren, baute NICT an seinem Hauptsitz in Koganei, Tokio, ein optisches Übertragungssystem. Durch den Einsatz häufig verwendeter C- und L-Wellenlängenbänder und Signalkodierungstechniken wie polarisationsmultiplexierte 64-Quadratur-Amplituden-modulierte (QAM) Signale erreichten die Forscher eine Übertragungsrate von 1,7 Pb/s über eine Entfernung von 63,5 km Zeichnen Sie sowohl die Datenkapazität als auch die Entfernung mit Standard-Mantelfaser auf. Um die Signale auf der Empfangsseite zu trennen, wurde die digitale MIMO-Signalverarbeitung offline durchgeführt.

Die Ergebnisse wurden im vergangenen März auf der 46. Optical Fiber Communications Conference in San Diego vorgestellt.

Die größte Herausforderung, vor der die Forscher noch stehen, sei eher wirtschaftlicher als technologischer Natur, sagt Rademacher. „Damit die Technologie kommerzialisiert werden kann, brauchen wir ein Unternehmen, das in einige Schlüsselteile investiert.“ Als Beispiele nennt er einen speziellen Chip für die digitale Signalverarbeitung, die derzeit offline erfolgt, und die Notwendigkeit geeigneter Verstärker, um das Signal über große Entfernungen zu verstärken.

Agrawal stimmt zu. „Selbst für die kurze Distanz von 63,5 Kilometern dauert die derzeitige digitale Signalverarbeitung zu lange, um praktikabel zu sein. Aber mit der weiteren Entwicklung werden solche Fasern wahrscheinlich in Telekommunikationssystemen Verwendung finden.“

Diese Geschichte wurde am 28. Juni 2023 aktualisiert, um die Abmessungen der Standardfaserverkleidung zu korrigieren.