Ein dichtes Netzwerk aus Glasfaserkabeln bildet das Rückgrat des Internets, auch bekannt als Backbone. Diese Kabel transportieren enorme Datenmengen zwischen den Netzknoten mit Geschwindigkeiten von mehreren hundert Terabit pro Sekunde. Die Verbindung der Kontinente erfolgt über Unterseekabel, die jedoch hohe Investitionen von mehreren hundert Millionen Dollar erfordern. Aktuell gibt es weltweit 530 aktive Unterseekabel, und ihre Anzahl nimmt stetig zu.
In Zukunft könnte dieser aufwendige Prozess jedoch überflüssig werden. Wissenschaftler der ETH Zürich haben im Rahmen eines europäischen
Horizon-2020-Projekts in Zusammenarbeit mit Partnern aus der Raumfahrtindustrie eine optische Terabit-Datenübertragung durch die Luft demonstriert. Dies eröffnet die Möglichkeit für kostengünstigere und schneller zu realisierende Backbone-Verbindungen über erdnahe Satelliten-Konstellationen.
Die Forscher testeten ihr Laser-System nicht im Orbit, sondern über eine Übertragung von 53 Kilometern vom Jungfraujoch nach Bern. Diese Versuchsstrecke stellte aufgrund der anspruchsvollen Bedingungen zwischen dem alpinen Jungfraujoch und dem dicht bebauten Bern eine Herausforderung für die optische Datenübertragung dar. Die Bewegung der Lichtwellen und damit die Informationsübertragung wurden durch die Turbulenzen der Luftgase über dem Hochgebirge, der Wasserfläche des Thunersees, der Stadt Thun und der Aare-Ebene beeinflusst.
Die Forschenden testeten die Datenübertragung per Laser über 53 Kilometer vom Jungfraujoch nach Zimmerwald nahe Bern. /
Die Turbulenzen können an heissen Sommertagen mit blossem Auge sichtbar sein.
Optische Lasersysteme statt Mikrowellenfunktechnologien
Bisher nutzen Satelliten-Internetverbindungen langsame Mikrowellenfunktechnologien, die weniger leistungsfähig sind. Optische Lasersysteme arbeiten dagegen im Bereich des nahen Infrarotlichts und können deutlich mehr Informationen pro Zeiteinheit transportieren. Um auf grosse Entfernungen ein starkes Signal zu erhalten, werden die Laserstrahlen durch Teleskope gesendet und präzise auf Empfängerteleskope ausgerichtet. Die Turbulenzen der Luftteilchen beeinträchtigen die gleichmässige Bewegung des Lichts, aber mithilfe eines Mikro-Elektro-Mechanischen Systems (MEMS) mit beweglichen Spiegeln konnte die Phasenverschiebung des Strahls korrigiert werden.
Das Forschungsteam entwickelte zudem neue, robuste Lichtmodulationsformate, die die Empfindlichkeit der Detektion verbessern und auch unter schlechten Wetterbedingungen hohe Datenraten ermöglichen. Durch Codieren der Informationsbits auf Eigenschaften der Lichtwelle wie Amplitude, Phase und Polarisation kann jedes Informationssymbol mit einer kleinen Anzahl von Lichtteilchen erkannt werden.
Skalierung möglich
Die Ergebnisse des Versuchs wurden erstmals auf der
European Conference on Optical Communication (ECOC) in Basel präsentiert und sorgten weltweit für Aufsehen. Das System ermöglicht eine Datenübertragung von 1 Terabit pro Sekunde mit einer einzigen Wellenlänge. In praktischen Anwendungen könnte das System problemlos auf 40 Kanäle und damit auf 40 Terabit pro Sekunde skaliert werden.
Die optische Terabit-Datenübertragung durch die Luft eröffnet somit neue Möglichkeiten für das Internet-Backbone. Sie könnte die Abhängigkeit von teuren Unterseekabeln verringern und kostengünstigere und schneller realisierbare Backbone-Verbindungen über erdnahe Satelliten-Konstellationen ermöglichen. Durch die Verbesserung der Lichtmodulationsformate und der Korrektur von Turbulenzen wird eine hohe Datenrate über grosse Entfernungen erzielt. Die Forschungsergebnisse stellen einen Durchbruch dar und haben das Potenzial, die Bandbreiten in zukünftigen Datenübertragungssystemen deutlich zu erhöhen.
