Hohlkernfasern durchbrechen physikalische Grenzen und läuten eine neue Ära der optischen Kommunikation ein

Hohlkernfasern durchbrechen physikalische Grenzen und läuten eine neue Ära der optischen Kommunikation ein

Licht bewegt sich durch die Luft, die Geschwindigkeit wurde um 45 % erhöht, der Verlust auf 0,091 dB/km reduziert – eine von Microsoft angeführte Revolution in der Glasfasertechnologie verändert die globale digitale Infrastrukturlandschaft.

Kürzlich veröffentlichte das von Microsoft unterstützte Forschungsteam von Lumenisity eine bahnbrechende Studie in der Zeitschrift Nature Photonics: Eine neue Hohlkernfaser erreichte eine Signaldämpfung von nur 0,091 dB/km und durchbrach damit die theoretische Grenze von 0,14 dB/km für herkömmliche Fasern auf Siliziumbasis – „ Breitband-Glasfaser mit einer Dämpfung von weniger als 0,1 Dezibel pro Kilometer “.

Diese Technologie gilt als „die bedeutendste Entwicklung in der Wellenleitertechnologie der letzten 40 Jahre“ und stellt einen bahnbrechenden Durchbruch in der optischen Kommunikation dar. Hohlkernfasern erhöhen nicht nur die Übertragungsgeschwindigkeit um 45 %, sondern ermöglichen auch die Datenübertragung über größere Entfernungen ohne Bandbreiteneinbußen.

01 Technologiesprung: Eine Kommunikationsrevolution vom Glas in die Luft

Herkömmliche Glasfasern nutzen hochreines Quarzglas zur Übertragung von Lichtsignalen, wobei sich Licht mit etwa 200 Millionen Metern pro Sekunde bewegt. Hohlkernfasern hingegen ermöglichen es dem Licht, sich durch die Luft zu bewegen und dabei Geschwindigkeiten von 300 Millionen Metern pro Sekunde zu erreichen – 45 % schneller als in Glas.

Hohlkernfasern nutzen eine einzigartige DNANF-Struktur (Double Nested Anti-Resonant Nodeless Fiber), die aus mehreren konzentrischen Glasröhren mit einer Dicke im Mikrometerbereich besteht. Diese Röhrenwände wirken wie mikroskopische Spiegel und reflektieren kontinuierlich Licht zurück in den zentralen Luftkanal, während sie höhere Moden unterdrücken.

Der photonische Bandlückeneffekt ist das Kernprinzip dieser Technologie. Präzise konstruierte Anordnungen mikrostrukturierter Siliziumringe binden das Licht effektiv im Luftkern, wodurch die Wechselwirkung zwischen Licht und Material deutlich reduziert und die Signaldämpfung drastisch verringert wird.

02 Leistungsdurchbruch: Wichtige Kennzahlen brechen einen 40-jährigen Rekord

Das Forschungsteam erreichte bei der Kommunikationswellenlänge von 1550 nm einen Dämpfungsgrad von 0,091 dB/km und übertraf damit erstmals die theoretische Grenze herkömmlicher Quarzfasern.

Noch beeindruckender ist, dass diese Hohlkernfaser über ein breites Spektrum von 66 THz einen Verlust von unter 0,2 dB/km aufweist und damit die Leistung herkömmlicher Quarzfasern bei weitem übertrifft, die eine solche Leistung nur in schmalen Kommunikationsbändern erreichen.

Herkömmliche Glasfaserkabel verlieren etwa alle 20 Kilometer die Hälfte ihrer Signalstärke, sodass Repeater-Verstärker erforderlich sind. Hohlkern-Glasfaserkabel verlängern diese Distanz auf etwa 33 Kilometer, reduzieren den Repeater-Bedarf um 46 % und senken den Energieverbrauch und die Gerätekosten für die Fernkommunikation erheblich.

03 Microsofts Strategie: Vom Labor zur globalen Netzwerkbereitstellung

Microsofts Investition in die Hohlkernfasertechnologie ist strategisch. Im Jahr 2022 übernahm Microsoft Lumenisity, ein Unternehmen mit fortschrittlicher Hohlkernfasertechnologie, und treibt die Technologie seitdem vom Labor zur Industrialisierung voran.

Derzeit betreibt Microsoft rund 1.200 Kilometer der neuen Glasfaser in aktiven Netzwerken, die den tatsächlichen Datenverkehr übertragen. Auf der Ignite 2024-Konferenz kündigte Microsoft Pläne an, innerhalb der nächsten 24 Monate 15.000 Kilometer Hohlkernfaser in seinem globalen Azure-Netzwerk zu verlegen.

Dieser Einsatz wird insbesondere die Anforderungen an geringe Latenz und hohe Bandbreite in KI- und Hochleistungsrechnerszenarien unterstützen und zeigt, dass Microsoft sich auf die großflächige kommerzielle Nutzung der Hohlkernfasertechnologie vorbereitet.

04 Anwendungsaussichten: Unbegrenztes Potenzial jenseits der traditionellen Kommunikation

Die Anwendungsmöglichkeiten von Hohlkernfasern gehen weit über die traditionelle Kommunikation hinaus. In der künstlichen Intelligenz werden sie den Bedarf an schneller Datenübertragung decken, die für KI-Tools unerlässlich ist.

Ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich ist die Quantenkommunikation. Hohlkernfasern können über 1000-mal mehr Leistung übertragen als herkömmliche Versionen und Einzelphotonenimpulse sichtbaren Lichts übertragen.

In latenzempfindlichen Szenarien wie der Konnektivität innerhalb von Rechenzentren, dem Hochfrequenz-Finanzhandel und verteilten intelligenten Rechenzentren wird die geringe Latenz von Hohlkernfasern eine entscheidende Rolle spielen.

05 Herausforderungen der Industrialisierung: Kosten und Standardisierung

Trotz ihrer vielversprechenden Eigenschaften ist die großflächige kommerzielle Einführung von Hohlkernfasern noch immer mit Herausforderungen verbunden. Das Haupthindernis sind die Herstellungskosten.

Herkömmliche Fasern werden durch Schmelzen und Strecken von massivem Glas zu dünnen Strängen hergestellt, während Hohlkernfasern mit einem etwa 20 cm breiten Glasvorformling beginnen, in den bereits ein Hohlkanal eingebaut ist.

Wenn die Faser auf einen Durchmesser von etwa 100 Mikrometern gedehnt wird, muss der Hohlraum unter Druck gesetzt werden, um seine Struktur zu erhalten. Dieser Prozess ist komplexer und präziser als die herkömmliche Herstellung.

Eine weitere Herausforderung stellt die globale Standardisierung dar. Die Branche muss neue Standards entwickeln, um die Kompatibilität von Hohlkernfasern mit bestehenden Netzwerken sicherzustellen.

Darüber hinaus sind Vollkernfasern nach wie vor der Hauptmarktteilnehmer und die Verbindung von Hohlkernfasern mit diesen Fasern in praktischen Anwendungen ist ein erhebliches Problem.

06 Internationale Forschung und Entwicklung: Globale Giganten liefern sich ein Wettrennen um die Entwicklung

Neben Microsoft arbeiten auch andere internationale Technologieriesen aktiv an der Hohlkernfasertechnologie. Nokia Bell Labs hat in Zusammenarbeit mit Yangtze Optical Fibre and Cable (YOFC) das Problem der schwachen Rückstreuung in Hohlkernfasern mithilfe einer 20 km langen, röhrenbasierten Struktur mit extrem geringem Verlust gelöst.

BT (British Telecom) arbeitete bereits bei der Erprobung von Hohlkernfasern mit Lumenisity zusammen. Mit zunehmender Weiterentwicklung der Technologie dürften sich weitere Telekommunikationsbetreiber an den Test- und Einsatzbemühungen beteiligen.

Auch die akademische Gemeinschaft ist stark involviert. Forschungsteams der Universität Southampton haben diese Technologie über ein Jahrzehnt lang verfeinert und so eine solide Grundlage für ihre Industrialisierung geschaffen.

Microsoft kündigte Pläne an, innerhalb der nächsten zwei Jahre 15.000 Kilometer Hohlkernfaser in seinem globalen Azure-Netzwerk zu verlegen, wobei der Schwerpunkt auf der Unterstützung von KI- und Hochleistungsrechneranforderungen liegen soll.

Herkömmliche Glasfaserkabel benötigen etwa alle 20 Kilometer Signalverstärker; Hohlkern-Glasfaserkabel verlängern diesen Abstand auf 33 Kilometer. Das bedeutet, dass transozeanische Unterseekabel fast die Hälfte der benötigten Verstärker benötigen.

Hohlkernfasern dienen nicht nur aktuellen Kommunikationsanforderungen; sie bilden die grundlegende Infrastruktur für zukünftige Quantenkommunikationsnetzwerke. Sie können fragile Quantensignale übertragen und ebnen so den Weg für die Entstehung eines Quanteninternets.