Forschung -

Phasenkamm senkt Energiebedarf des Internets

Über Glasfaser übertragen Rechenzentren riesige Mengen an Daten, etwa für Video-Streaming, Social Media und Cloud-basierte Services. Bei dem derzeitigen Zuwachs würde die Internetnutzung innerhalb der nächsten zehn Jahre mehr Strom benötigen als derzeit weltweit erzeugt wird. Maßnahmen, die die Energieeffizienz von Telekommunikationsnetzen erhöhen, sind dringend erforderlich.

Wissenschaftler der Technischen Hochschule Chalmers in Schweden haben einen optischen Frequenzkamm zur digitalen Übertragung genutzt. Damit wurde gezeigt, dass dieser die heute gängigen Mehrfachlaser mit etwa gleicher Performance ersetzen kann und dabei die Komplexität verringert. Erstmals kam eine gemeinsame Trägerrückgewinnung zum Einsatz, die übliche Störungen wie Farbzerstreuung, Polarisationsdrift, Verstärkerrauschen und Faser-Nichtlinearitäten bewältigt. In einer Demonstration sendeten 25 Kanäle 20 GBaud über 160 km mithilfe von Polarisations-Multiplexing mit 64-facher Quadratur-Amplitudenmodulation (PM-64QM). Ein spezielles Phasenschätzungsschema erhöht die Toleranz gegenüber schnellen Phasenschwankungen.

Ursprünglich setzte man optische Frequenzkämme dazu ein, Atomuhren miteinander zu vergleichen und optische Frequenzen zu synthetisieren. Einer ihrer Hauptvorteile besteht darin, dass die Trennung zwischen aufeinanderfolgenden Leitungen stabil ist. Dies erhöht die spektrale Effizienz, da die Schutzbänder zwischen den Wellenlängenkanälen kleiner ausfallen. Außerdem ist eine wirksame Vorkompensation von Faser-Nichtlinearitäten möglich.

Meist leiden alle Kanäle unter ähnlichem Phasenrauschen, hauptsächlich hervorgerufen durch zufällige Phasenvariationen der Träger- und Lokaloszillatorquellen, üblicherweise Halbleiterlaser. Moderne Lichtwellen-Kommunikationssysteme kompensieren diese Störungen mithilfe digitaler Signalverarbeitung, die allerdings einen der größten Posten beim Gesamtenergiebedarf einnimmt. Analoge Methoden vereinfachen zwar die Phasenverriegelung, jedoch auf Kosten der spektralen Effizienz. Eine kanalweise Phasennachführung ist aufgrund der Phasen-Rausch-Korrelation nicht sinnvoll. Stattdessen sollten die Kanäle gemeinsam geroutet und verarbeitet werden, entsprechend dem Superkanalkonzept. In dieser Weise sind Kammlinien miteinander phasenverriegelt, was eine breitbandige Phasenkohärenz ermöglicht.

Die Forscher untersuchten zwei verschiedene Schemata für eine gemeinsame Phasenverarbeitung. Das erste beschreiben sie als Master-Slave-Trägerrückgewinnung, die eine vom Master-Kanal geschätzte Phase wiederverwendet, um die Phasenschwankungen mehrerer Slave-Kanäle zu kompensieren. Damit nutzen diese den anspruchsvollen Phasenschätzungsblock gemeinsam. Das zweite Schema nutzt die verschiedenen Arten des Phasenrauschens, um die Phasenschätzung zu verbessern.

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