Laser ermöglichen Internet-Backbone per Satellit

Das R¨¹ckgrat des Internets ¨C den sogenannten Backbone ¨C bildet ein dichtes Netzwerk aus Glasfaserkabeln, die jeweils bis zu mehr als hundert Terabit an Daten pro Sekunde (1 Terabit = 10¹² digitale 1/0-Signale) zwischen den Netzknoten transportieren. Die Kontinente sind dabei durch die Tiefsee verbunden - und das ist enorm kostspielig: Ein einzelnes Kabel durch den Atlantik erfordert Investitionen von mehreren hundert Millionen Dollar. Das spezialisierte Beratungsunternehmen Telegeography z?hlt aktuell 530 aktive Unterseekabel. Tendenz steigend.

Schon bald d¨¹rfte dieser Aufwand aber nicht mehr n?tig sein. Wissenschaftler der ETH Z¨¹rich haben in einem europ?ischen Horizon-2020-Projekt gemeinsam mit Partnern aus der Raumfahrtindustrie eine optische Terabit-Daten¨¹bertragung durch die Luft demonstriert. Mit dieser werden k¨¹nftig wesentlich kosteng¨¹nstigere und auch viel schneller erstellbare Backbone-Verbindungen ¨¹ber erdnahe Satelliten-Konstellationen m?glich.

Anspruchsvolle Verh?ltnisse zwischen Jungfraujoch und Bern

Erprobt haben die Projektpartner ihr Laser-System allerdings nicht mit einem Satelliten im Orbit, sondern durch eine ?bertragung ¨¹ber 53 Kilometer vom Jungfraujoch nach Bern. ?Unsere Versuchsstrecke zwischen der Hochalpinen Forschungsstation auf dem Jungfraujoch und dem Zimmerwald Observatorium der Universit?t Bern ist aus Sicht einer optischen Daten¨¹bertragung wesentlich anspruchsvoller als zwischen einem Satelliten und einer Bodenstation?, erkl?rt Yannik Horst, der leitende Autor der Studie und Forscher an der ETH Z¨¹rich im Institute f¨¹r elektromagnetische Felder unter Leitung von Professor J¨¹rg Leuthold.

Der Laserstrahl musste sich auf dem ganzen Weg durch die dichte, bodennahe Atmosph?re bewegen. Dabei beeinflussten die vielf?ltigen Turbulenzen der Luftgase ¨¹ber dem verschneiten Hochgebirge, der Wasserfl?che des Thunersee, der dicht bebauten Agglomeration Thun und der Aare-Ebene die Bewegung der Lichtwellen und damit auch die Informations¨¹bertragung. Wie stark dieses durch Thermikph?nomene ausgel?ste Flimmern der Luft die gleichm?ssige Bewegung von Licht st?rt, kann man an heissen Sommertagen von blossem Auge erkennen.

Satelliten-Internet nutzt langsamen Mikrowellenfunk

Internetverbindungen ¨¹ber Satelliten sind an sich nichts Neues. Der aktuell bekannteste Vertreter ist die Starlink-Konstellation von Elon Musk, die mit ¨¹ber 2000 erdnah kreisenden Satelliten Internet in fast jeden Winkel der Welt bringt. Um Daten zwischen Satelliten und Bodenstationen zu ¨¹bertragen werden allerdings Funktechnologien verwendet, die wesentlich weniger leistungsf?hig sind. Sie funktionieren wie WLAN (Wireless Local Area Network) oder der Mobilfunk im Mikrowellenbereich des Frequenzspektrums und damit mit Wellenl?gen von einigen Zentimetern.

Optische Lasersysteme arbeiten demgegen¨¹ber im Bereich des nahen Infrarotlichts mit rund 10¡¯000-mal k¨¹rzeren Wellenl?ngen von wenigen Mikrometern. Dadurch k?nnen sie auch entsprechend mehr Informationen pro Zeiteinheit transportieren.

Um auf grosse Entfernungen beim Empf?nger ein gen¨¹gend starkes Signal zu erhalten, werden die parallelisierten Lichtwellen des Lasers durch ein Teleskop gesendet, das mehrere Dutzend Zentimeter Durchmesser haben kann. Dieser breite Lichtstrahl muss dann m?glichst genau auf ein Teleskop beim Empf?nger gezielt werden, dessen Durchmesser in der Gr?ssenordnung des empfangenen Lichtstrahls liegt.

Turbulenzen l?schen die modulierten Signale aus

Damit m?glichst hohe Datenraten erreicht werden, wird die Lichtwelle des Lasers zudem so moduliert, dass ein Empf?nger pro Schwingung mehrere unterscheidbare Zust?nde detektieren kann. Dadurch l?sst sich pro Schwingung jeweils mehr als ein Informations-Bit ¨¹bertragen. In der Praxis wird mit unterschiedlichen H?hen (Amplituden) und Verschiebungen des Phasenwinkels der Lichtwelle gearbeitet. Jede Kombination von Phasenwinkel und Amplitudenh?he definiert dann ein unterschiedliches Informationssymbol. Mit einem 4x4-Schema lassen sich so 4 Bit pro Schwingung ¨¹bertragen und mit einem 8x8-Schema 6 Bit.

Die wechselnden Turbulenzen der Luftteilchen f¨¹hren nun dazu, dass die Lichtwellen im Inneren und an den R?ndern des Lichtkegels unterschiedlich schnell wandern. Im Detektor der Empfangsstation addieren oder subtrahieren sich dadurch die Amplituden und Phasenwinkel gegenseitig zu falschen Werten.

Spiegelchen korrigieren Wellenphase 1500-mal pro Sekunde

Um diese Fehler zu verhindern, lieferte der franz?sische Projektpartner einen sogenannten MEMS-Chip (Mikro-Elektro-Mechanisches System) mit einer Matrix aus 97 beweglichen Spiegelchen. Durch die Spiegelbewegungen l?sst sich die Phasenverschiebung des Strahls auf seiner Schnittfl?che entlang dem aktuell gemessenen Gradienten 1500-mal pro Sekunde korrigieren.

Unter dem Strich resultiert so eine Verbesserung der Signale um rund einen Faktor 500. Diese Verbesserung war essenziell, um eine Bandbreite von 1 Terabit pro Sekunde ¨¹ber eine Distanz von 53 Kilometern erreichen zu k?nnen, wie Horst betont.

Erstmals zum Einsatz kamen im Projekt zudem neue, robuste Lichtmodulationsformate. Sie erh?hen die Empfindlichkeit der Detektion massiv und erm?glichen dadurch selbst unter schlechtesten Wetterbedingungen oder bei geringen Laserleistungen hohe Datenraten. Erreicht wird dies durch ein geschicktes Codieren der Informations-Bits auf Eigenschaften der Lichtwelle wie Amplitude, Phase und Polarisation. ?Mit unserem neuen 4D-BPSK-Modulationsformat (Binary Phase-Shift Keying) kann ein Informations-Bit auch mit einer sehr kleinen Anzahl von nur rund vier Lichtteilchen am Empf?nger noch richtig erkannt werden?, erkl?rt Horst.

Insgesamt waren f¨¹r den Erfolg des Projekts die spezifischen Kompetenzen von drei Partnern notwendig. Das franz?sische Raumfahrtunternehmen Thales Alenia Space beherrscht das zentimetergenaue Zielen mit Lasern ¨¹ber Tausende von Kilometern im Weltraum. Die ebenfalls franz?sische Luft- und Raumfahrtforschungsanstalt Onera verf¨¹gt ¨¹ber die Kompetenzen in MEMS-basierter adaptiver Optik, mit der die Effekte des Luftflimmern weitgehend eliminiert wurden. Und die f¨¹r eine hohe Datenrate unerl?ssliche, m?glichst effektive Modulation der Signale, geh?rt zu den Spezialgebieten der Forschungsgruppe von Leuthold.

Problemlos auf 40 Terabit pro Sekunde ausbaubar

Die im Rahmen der European Conference on Optical Communication (ECOC) in Basel erstmals pr?sentierten Resultate des Versuchs sorgen weltweit f¨¹r Furore, so Leuthold: ?Unser System bedeutet einen Durchbruch. Bisher gelang es nur, entweder grosse Distanzen mit kleinen Bandbreiten von wenigen Gigabit oder kurze Distanzen von wenigen Metern mit grossen Bandbreiten per Freilandlaser zu verbinden?.

Dazu kommt, dass die Leistung von 1 Terabit pro Sekunde mit einer einzigen Wellenl?nge erreicht wurde. In einer zuk¨¹nftigen praktischen Anwendung l?sst sich das System mit Standardtechnologien problemlos auf 40 Kan?le und damit auf 40 Terabit pro Sekunde hochskalieren.

Zus?tzliches Potenzial f¨¹r das neue Modulationsformat

Damit werden sich Leuthold und sein Team aber nicht mehr besch?ftigen. Die praktische Umsetzung in ein marktf?higes Produkt ¨¹bernehmen die Industriepartner. Einen Teil der Arbeit werden die ETH-Wissenschaftler:innen allerdings weiterverfolgen. Das von ihnen entwickelte neue Modulationsformat d¨¹rfte k¨¹nftig auch in anderen Daten¨¹bertragungsverfahren, bei denen die Energie der Strahlung zu einem begrenzenden Faktor werden kann, f¨¹r eine Erh?hung der Bandbreiten sorgen.