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Turbo für die Glasfaser

Astronomie|Physik Technik|Digitales

Turbo für die Glasfaser
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Glasfaserkabel sind heute längst die Schlagadern der globalen Kommunikation - haben aber noch Schwächen. (Bild: Thinkstock)
Sie verbinden Kontinente über tausende von Kilometern, sind aber nur wenige Zentimeter dick: Längst bilden Glasfaserkabel das Rückgrat unserer globalen Informationsgesellschaft. 15 Millionen Telefongespräche gleichzeitig oder der Inhalt von 250 DVDs in einer Sekunde sind für die lichtschnellen Leiter kein Problem. Auf sehr langen Strecken allerdings gibt es bisher noch starke Einbußen bei der Übertragung über Glasfasern. Denn physikalische Effekte sorgen dafür, dass das Lichtsignal sich schnell abschwächt und von Störungen überlagert wird. Eine neue Methode, um Verzerrungen und Signalverluste auf langen Strecken zu verringern, haben jetzt Forscher der Bell Labs in New Jersey getestet. Es gelang ihnen damit, Daten mit 400 Megabit pro Sekunde über 12.800 Kilometer weit zu senden – zehn Mal weiter als bisher möglich.

Glasfaserkabel sind längst die Methode der Wahl, wenn es um das Senden großer Mengen von digitalen Daten geht. „Sie haben das exponentielle Wachstum der Kommunikations-Kapazität erst ermöglicht“, erklären Xiang Liu von den Bell Labs und seine Kollegen. Mit Übertragungsraten von hunderten Megabit bis sogar Terabit pro Sekunde sind die Lichtwellenleiter den Satelliten in punkto Datenkapazität und Übertragungsgeschwindigkeit bereits überlegen.

Das Prinzip der optischen Übertragung ist dabei relativ einfach: Der eigentliche Leiter besteht meist aus einer Quarzglasfaser, die von einem Mantel aus weniger stark lichtbrechendem Material umgeben ist. Am Beginn der Glasfaserstrecke wandelt eine Leucht- oder Laserdiode die ankommenden elektrischen Signale in Lichtwellen um. Das Licht tritt in den Kern der Glasfaser ein und breitet sich aus. Von den Wänden des Kerns wird es dabei reflektiert und dadurch auf Spur gehalten. Am anderen Ende wandelt die empfangende Photodiode es wieder in elektrische Signale um. Der große Vorteil dabei: Im Gegensatz zu Elektronen im Kupferkabel bewegt sich das Licht nahezu widerstandsfrei. Es verliert daher in tausenden Kilometer langen Glasfaserleitungen kaum an Schwung und ist dort noch immer annähernd mit Lichtgeschwindigkeit unterwegs. Darüber hinaus können die verschiedenen Wellenlängen des Lichts mit unterschiedlichen Informationen versehen werden, die dann gleichzeitig auf die Reise gehen.

Verschobene Kopie als Entzerrungshelfer

Das Ganze hat aber leider einen Haken: Durch verschiedene physikalische Effekte wird das Lichtsignal in der Glasfaser relativ schnell abgeschwächt und verzerrt. Je nach Wellenlänge und Datenrate ist die Reichweite einer solchen Übertragung daher sehr begrenzt. Um längere Strecken zu überbrücken, muss das Signal bisher in regelmäßigen Abständen entlang der Leitung durch Verstärker und Signalkorrekturen modifiziert werden. Liu und seine Kollegen haben nun eine Methode getestet, mit der sich Verzerrungen verringern beziehungsweise effektiv herausfiltern lassen.

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Ihr Trick dabei: Sie schickten ihr Signal nicht in einem Lichtstrahl auf die Reise, sondern in zwei Kopien. Diese wurden aber leicht versetzt ausgesendet, so dass die Wellen nicht im Gleichtakt schwangen, sondern genau gegeneinander: Immer, wenn die eine ein Hoch erreichte, hatte die andere ein Tief. Die zu einer bestimmten Zeit einwirkenden Störeffekte lösen dadurch bei den beiden Wellen jeweils leicht unterschiedliche Verzerrungen aus. „Dadurch können wir die Störungen herausfiltern, indem wir die Wellen am Ende der Signalstrecke wieder aneinander ausrichten und übereinanderlegen“, erklären die Forscher. Störungen erscheinen dann als Ausschläge, die bei beiden nicht übereinstimmen. Entfernt man diese, kann die ursprüngliche Form des Signals wieder rekonstruiert werden. Durch dieses Verfahren lasse sich die nonlineare Verzerrung um mehr als 8,5 Dezibel reduzieren, so die Wissenschaftler.

Was das praktisch bedeutet, demonstrierten Liu und seine Kollegen in einem Langstrecken-Versuch. Dabei schickten sie acht solcher verschobener Signalpaare mit einer Datenrate von 400 Megabit pro Sekunde mehrfach hintereinander durch eine Schleife aus einem 80 Kilometer langen Glasfaserkabel. Wie sich zeigte, konnten sie das Signal selbst dann noch aus dem Rauschen extrahieren, nachdem es insgesamt 12.800 Kilometer in dieser Teststrecke zurückgelegt hatte.

Xiang Liu (Bell Labs, Holmdel) et al., Nature Photonics, doi: 10.1038/nphoton.2013.109 © wissenschaft.de – ===Nadja Podbregar
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