Die Verdoppelung der Entfernung der Glasfaserkommunikation ist nicht mehr

Anfang Februar 2015 veröffentlichten Forscher der UCL (London Global University) eine neue Technik zur Verarbeitung von Glasfasersignalen. Diese neue Technik kann die Distanz, über die Daten fehlerfrei über transatlantische Unterseekabel übertragen werden, verdoppeln. Zweifellos stellt sie einen Meilenstein in der Glasfaserkommunikation dar. In den letzten zwei Monaten wurde diese neue Technik in vielen Communities und auf Nachrichtenseiten der Glasfaserkommunikationsbranche reproduziert oder diskutiert. Dennoch ist sie möglicherweise noch nicht sehr bekannt und wir haben noch Zweifel. Wie kann die Leistung der doppelten Glasfaserkommunikationsdistanz erreicht werden? Und wird diese neue Technik die Glasfaserkommunikation grundlegend verändern? Heute werden wir darüber sprechen.

Eine kurze Einführung

Mit dem exponentiellen Wachstum der Kommunikation, vor allem bedingt durch die breite Akzeptanz des Internets, steigen auch die Anforderungen der Menschen an Bandbreite und große Datenkapazitäten. Aus technischer Sicht können jedoch Dämpfung, Dispersion und Nichtlinearität der Glasfaser die Bitrate und die Reichweite der optischen Kommunikation erheblich einschränken. Mit der Verbesserung der Glasfaserherstellung und der Erfindung des EDFA (Erbium-dotierter Faserverstärker) konnte der Kampf gegen die Dämpfung gewonnen werden, während Dispersion und Nichtlinearität in modernen optischen Hochgeschwindigkeitskommunikationssystemen weiterhin im Vordergrund stehen. Die erreichbare Übertragungskapazität konventioneller Glasfaserkommunikationssysteme wird durch nichtlineare Verzerrungen aufgrund des Kerr-Effekts und die Schwierigkeit, das optische Feld zu modulieren, um die verfügbare Glasfaserbandbreite effektiv zu nutzen, begrenzt. Forschungsergebnissen zufolge haben sich die Kapazitätssteigerungen in der Wellenlängenmultiplexforschung (WDM) aufgrund der Auswirkungen der Nichtlinearitäten der Glasfaser im letzten Jahrzehnt auf etwa 20 % pro Jahr verlangsamt. Die grundlegende Grenze des nichtlinearen Kanals ist jedoch bis heute unbekannt und wird daher weiterhin untersucht. Daher konzentrierte sich die jüngste Forschung zur Maximierung der Kapazität einzelner Glasfaserkerne auf die Erhöhung der spektralen Informationsdichte jedes WDM-Kanals und den gleichzeitigen Einsatz fortschrittlicher Codierungs- und Faser-Nichtlinearitätsminderungstechniken, um die erreichbare Übertragungsdistanz zu maximieren.

Heutzutage werden häufig verwendete Techniken zur Erhöhung der spektralen Informationsdichte (ISD) eines optischen Netzwerks verwendet, um moderne Modulationsformate mit hoher Kardinalität zu verwenden oder den Frequenzabstand zwischen WDM-Kanälen zu verringern. Beide Techniken sind jedoch mit erheblichen Einschränkungen verbunden. Eine höhere Kardinalität des Modulationsformats erfordert ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis (SNR), was wiederum hohe Anforderungen an die Sender- und Empfängersubsysteme stellt. Andererseits führen Interkanalstörungen aufgrund von linearem Übersprechen bei einer Verringerung des Frequenzabstands zwischen WDM-Kanälen zu erheblichen Leistungseinbußen. Zwar kann die Bandbreite (BW) jedes WDM-Kanals durch eine enge Filterung begrenzt werden, doch führt der Filtervorgang selbst zu erheblichen Intersymbolstörungen (ISI) innerhalb jedes Kanals. Mit einer geeigneten Filterform, beispielsweise einem sinc-förmigen Impuls mit einem entsprechenden rechteckigen Spektrum, kann das Nyquist-Kriterium für ISI jedoch erfüllt werden.

Um eine hohe ISD zu erreichen und gleichzeitig die Übertragungsreichweite aufrechtzuerhalten, müssen eine mehrkanalige Glasfaser-Nichtlinearitätskompensation und eine spektral effiziente Datenkodierung genutzt werden. In dieser Arbeit verwendeten die Forscher einen „16QAM-Superkanal“ aus einem Satz von Frequenzen, die anhand von Amplitude, Phase und Frequenz kodiert werden konnten, um ein optisches Signal mit hoher Kapazität zu erzeugen. Eine wirksame Minderung der Nichtlinearität wird durch mehrkanalige digitale Rückpropagation (MC-DBP) erreicht. Diese Technik wird mit einer optimierten Vorwärtsfehlerkorrektur-Implementierung kombiniert, um eine Rekordsteigerung der Übertragungsreichweite von 85 % zu erzielen; die maximale Übertragungsdistanz erhöht sich von 3190 km auf 5890 km bei einer ISD von 6,60 b/s/Hz. Von 3190 km auf 5890 km wird die Übertragungsdistanz der Glasfaserkommunikation verdoppelt. Es ist zu erwarten, dass diese neue Methode die Kosten der Glasfaserkommunikation über große Entfernungen senken kann, da die Signale auf ihrer Reise nicht elektronisch verstärkt werden müssen, was wichtig ist, wenn die Kabel unter der Erde oder auf dem Meeresboden verlegt sind. Deshalb stößt diese neue Technik auf großes Interesse. Um das Anwendungsspektrum dieser Forschungsergebnisse zu erweitern, werden die Forscher ihre neue Methode an dichteren Superkanälen testen, die üblicherweise im digitalen Kabelfernsehen (64QAM), in Kabelmodems (256QAM) und in Ethernet-Verbindungen (1024QAM) verwendet werden.

Anwendungen & Perspektiven

Die Grenzen der Glasfaser-Langstreckenübertragung werden ständig erweitert. Zweifellos liegt das WDM-System im Trend. Aufgrund der Nichtlinearitäten der Glasfasern muss die Entwicklung des WDM-Systems jedoch gebremst werden. Zudem sind die Kosten für WDM-Systeme immer noch recht hoch. Diese Faktoren schränken die optische Langstreckenübertragung ein und führen dazu, dass die heutige Glasfaserkommunikation den steigenden Anforderungen der Nutzer nicht mehr gerecht wird. Da diese Technik die übertragenen Daten korrigieren kann, wenn sie unterwegs beschädigt oder verzerrt werden, könnte sie auch dazu beitragen, die nutzbare Kapazität der Glasfasern zu erhöhen. Dies geschieht direkt am Ende der Verbindung, beim Empfänger, ohne dass neue Komponenten in die Verbindung selbst eingebaut werden müssen. Diese Kapazitätssteigerung ist wichtig, da Glasfasern 99 % aller Daten übertragen und der Bedarf mit der zunehmenden Internetnutzung steigt, die mit der aktuellen Kapazität der Glasfasern nicht gedeckt werden kann. Zudem ist der Austausch der Empfänger deutlich günstiger und einfacher als die Neuverlegung von Kabeln, was insbesondere bei unterirdisch oder auf dem Meeresboden verlegten Kabeln von Vorteil ist. Diese neue Erkenntnis wird die Effizienz der Glasfaserkommunikation durch die Verdoppelung der Übertragungsdistanzen deutlich verbessern. Dies ist jedoch erst der Anfang. Bei der weiteren Anwendung dieser neuen Technik stehen uns möglicherweise viele Herausforderungen bevor. Die Überwindung der Kapazitätsgrenzen von Glasfaserkabeln wird dabei einen großen Beitrag leisten. Trotz vieler Schwierigkeiten ist die Verdoppelung der Glasfaserdistanzen kein Traum mehr und rückt in greifbare Nähe. Wir sind überzeugt, dass eines Tages fortschrittlichere Techniken demonstriert und angewendet werden können.