Forschung

Mehr Bits im Kanal

25.06.2012 - Neue Freiheitsgrade bei der optischen Datenübertragung durch Drehimpuls-Multiplexen.

Bei der Jagd nach immer größeren Datenraten in den weltweiten Kommunikationsnetzen eröffnen sich neue Möglichkeiten. In den letzten Jahren hat eine fundamentale Eigenschaft des elektromagnetischen Feldes zunehmend Interesse geweckt. Die Drehimpuls tragenden helikalen Wellenfronten sind bereits in der optischen Manipulation im Einsatz, als optische Fallen, optische Pinzetten oder Wirbelknoten sowie in der Quanten-Informationsverarbeitung. Ihre inhärente Orthogonalität erlaubt aber auch neue Freiheitsgrade in der Datenübertragung, wie kürzlich schon für Mikrowellen demonstriert. Forschern der University of Southern California ist es gelungen, auch im für die optische Freiraumkommunikation wichtigen nahen Infrarot zuverlässiges Multiplexen und Demultiplexen durchzuführen. Bei einer Wellenlänge von rund 1600 Nanometern erreichten sie so bei vier unabhängigen Drehimpulskanälen mit jeweils zwei Spin-Polarisationen Datenübertragungsraten von über einem Terabit pro Sekunde.

Zwei Gruppen von OAM-Wellen lassen sich zu einem Signal kombinieren

Abb.: Zwei Gruppen von OAM-Wellen lassen sich zu einem Signal kombinieren und wieder de-multiplexen (f1 zu f2 & f3; Bild: Wang et al. / NPG)

Da die Anzahl an Frequenzen in der Telekommunikation begrenzt ist, besteht zunehmendes Interesse daran, auf jedem einzelnen Übertragungskanal möglichst viele Informationen unterzubringen. Die Attraktivität des Drehimpuls-Mulitplexen liegt darin, dass es unabhängig von anderen Formen wie etwa dem Wellenlängen- und Polarisationsmultiplexen ist und mit diesen kombiniert werden kann. Im Prinzip erlaubt das Drehimpuls-Multiplexen beliebig viele neue Freiheitsgrade; mit zunehmendem Drehimpuls steigt aber die Größe der benötigten Sende- und Empfangsgeräte und die Signaltrennung wird schwieriger.

Die Forscher erzeugten mit spiralförmigen Phasenmasken vier sogenannte OAM-Wellen (Orbital Angular Momentum). Diese kombinierten sie mit nichtpolarisierenden Strahlteilern zu einem Strahl. Ein nachgeschalteter polarisierender Strahlteiler erhöht die Anzahl an Kanälen im Strahl dann nochmals um den Faktor zwei, indem er die beiden möglichen Polarisierungen zusammenfügt.

Auf diese Weise konnten sie unter Laborbedingungen und über eine kurze Distanz von wenigen Metern bei 16-QAM-Signalen (QAM: Quadratamplitudenmodulation) Datenübertragungsraten von 1369,6 Gigabit pro Sekunde erreichen, bei einer spektralen Effizienz von 25 bit s-1 Hz-1. Die Datenrate errechnet sich aus einer Symbolrate von 42,8 Gbit/s multipliziert mit einem Faktor 4 für die vier Bits pro Symbol bei 16-QAM-Signalen, sowie nochmals einem Faktor 4 für das Drehimpuls- und einem Faktor 2 für das Polarisations-Multiplexen. Sie konnten auch die Skalierbarkeit des neuen Verfahrens unter Beweis stellen, indem sie zwei Gruppen konzentrischer Ringe von je acht OAM-Wellen kombinierten. Dies führte zu einer Datenrate von 2560 Gbit/s, bei einer spektralen Effizienz von 95,7 bit s-1 Hz-1. Die Forscher erreichten einen Datenaustausch zwischen zwei OAM-Signalen von 100 Gbit/s.

Helikale Wellen mit einem Drehimpuls von +4, +8, -8 und +16 in Einheiten des Planckschen Wirkungsquantums

Abb.: Helikale Wellen mit einem Drehimpuls von +4, +8, -8 und +16 in Einheiten des Planckschen Wirkungsquantums (l.o., r.o., l.u., r.u.; Bild: Wang et al. / NPG)

„Wir denken, dass zumindest noch eine Größenordnung Steigerung in den Datenraten möglich ist“, so der Leiter der Forschungsgruppe, Alan Willner. Ein Hauptziel der Forschung bleibt aber die Übertragbarkeit über längere Distanzen im freien Raum. Denn ein begrenzender Faktor der neuen Technologie liegt in atmosphärischen Turbulenzen, die die helikalen Wellen verformen und somit ein zuverlässiges Demultiplexen unmöglich machen. Die räumliche Form elektromagnetischer Wellen ist sehr empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen, so dass Änderungen in Dichte und Brechungsindex der Luft sich rasch bemerkbar machen. Pro zusätzlichem Drehimpulskanal steigen auch die Nebensignaleffekte. Eine Möglichkeit der Signalverbesserung liegt in adaptiven Optiken. Damit könnte das Drehimpuls-Multiplexen eine deutliche Steigerung der Reichweite erzielen.

Wie Juan Torres in einem Kommentar zu dem Paper hervorhebt, ist Drehimpuls-Multiplexen möglicherweise von besonderem Interesse für die Datenübertragung zwischen Satelliten, da diese nicht mit Luftturbulenzen zu kämpfen haben. Eine andere Einsatzmöglichkeiten liegt in der Kurzstreckenübertragung. Aber auch in der Glasfasertechnik besitzt das optische Drehimpuls-Multiplexen Potenzial. Zwar eignen sich herkömmliche Glasfaserkabel nicht hierfür, aber neuartige multimodale Glasfaserkabel könnten Übertragungsreichweiten in der Größenordnung von Kilometern erzielen.

Dirk Eidemüller

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