Optische Nachrichtentechnik: Grenzen des Wachstums?


Faseroptische Telekommunikation hat in den letzten Jahren eine noch nie da gewesene Entwicklung erfahren. Tatsächlich ist die Wachstumsrate der Datenübertragung mit Fasern größer als die der Computerleistungen, deren Wachstumsrate durch Moore's Gesetz beschrieben wird. Man fragt sich, ob diese Entwicklung ständig so weiter gehen kann. Die einfache Antwort ist: Geht sie nicht. Laut Shannon's berühmtem Theorem ist die endgültige Datenübertragungskapazität von Glasfasern begrenzt auf die verfügbare Bandbreite mal einem Faktor, der von dem Format der Kodierung abhängt. Der für Datenübertragung nutzbare Spektralbereich entspricht einer Bandbreite von ca. 50 THz. Die Übertragung mit Binärkodierung (der bisherige Standard) nutzt die Verfügung stehende Bandbreite bereits weitgehend aus. Daher geht man zunehmend zu nichtbinären Kodierungsformaten über, welche mehr als ein Bit Information pro Zeittakt zu übertragen. Die derzeitig genutzten nichtbinären Kodierungsverfahren basieren hauptsächlich auf Amplituden- und Phasenmodulation bei niedriger Leistung (lineares Regime). Beispiele dafür sind das Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK) oder auch die Quadrature Amplitude Modulation (QAM). Das sich durch die periodische Verstärkung aufbauende Signalrauschen begrenzt dabei aber die Übertragungsreichweite, und zwar um so mehr, je höher die Anzahl der Bits pro Zeittakt gewählt wird. In diesem Dilemma wird sogar vorgeschlagen, Mehrmodenfaser oder Mehrkernfasern zu benutzen. Das würde aber bedeuten, dass neue Glasfaserkabel mit Milliardenaufwand verlegt werden müssten. Unserer Ansatz besteht hingegen in der Verwendung von Solitonen, robusten Lichtpulsen mit der Fähigkeit zur Selbstheilung. Solitonen werden bereits kommerziell eingesetzt, ermöglichen aber nur eine binäre Kodierung

Hier kommen die von uns entdeckten Solitonen-Moleküle ins Spiel, gebundene Zustände aus zwei oder drei (und evtl. mehr) Solitonen. Wir schlagen vor, dass das Alphabet aus den Buchstaben "kein Impuls", "Standard-Soliton", "Zwei-Solitonenmolekül" und "Drei-Solitonenmolekül" bestehen könnte. Die grundsätzliche Möglichkeit, auf diese Weise zwei Bits pro Zeittakt zu übertragen, haben wir kürzlich nachgewiesen.


Übertragungsrekorde


In der nebenstehenden Grafik ist die Entwicklung der Übertragungsraten im Zeitraum von 1998 bis 2016 aufgetragen. Gelbe Punkte markieren die Übertragung auf nur einem Kanal, blaue Punkte markieren die simultane Übertragung auf vielen Wellenlängen-Kanälen (WDM: wavelength division multiplex) und rote Punkte markieren Übertragungen mit Mehrmoden- oder Mehrkernfasern (SDM: spatial division multiplex). Schwarze Zahlen bedeuten die Verwendung der binären Codierung, weiße Zahlen die Verwendung einer erweiterten linearen Kodierung (QAM: quadrature amplitude modulation, QPSK: qadrature phase-shift keying). Die maximal sinnvolle Entfernung entspricht dem halben Erdumfang (20 Mm). Für eine bessere Vergleichbarkeit werden Experimente mit Mehrmoden- oder Mehrkernfasern nur anteilig mit einen Kern berücksichtigt.

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1.01-Pb/s (12 SDM/222 WDM/456 Gb/s) Crosstalk-managed Transmission with 91.4- b/s/Hz Aggregate Spectral Efficiency,
in European Conference on Optical Communication (ECOC) 2012 paper: Th.3.C.1.
53. Jun Sakaguchi, Benjamin J Puttnam, Werner Klaus, Yoshinari Awaji, Naoya Wada, Atsushi Kanno, Tetsuya Kawanishi, Katsunori Imamura, Harumi Inaba, Kazunori Mukasa, Ryuichi Sugizaki, Tetsuya Kobayashi, Masayuki Watanabe
19-core fiber transmission of 19x100x172-Gb/s SDM-WDM-PDM-QPSK signals at 305Tb/s,
in Optical Fiber Communication Conference, (OFC) 2012, paper PDP5C.1
54. M. Salsi, A. Ghazisaeidi, P. Tran, Rafael Rios Muller, L. Schmalen, J. Renaudier, H. Mardoyan, P. Brindel, G. Charlet, S. Bigo
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55. J.-X. Cai, H. G. Batshon, H. Zhang, C. R. Davidson, Y. Sun, M. Mazurczyk, D. G. Foursa, O. Sinkin, A. Pilipetskii, G. Mohs, Neal S. Bergano
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56. H. Hu , F. Ye , A. K. Medhin , P. Guan , H. Takara, Y. Miyamoto, H.C.H. Mulvad, M. Galili, T. Morioka and L. K. Oxenløwe
Single Source 5-dimensional (Space-, Wavelength-, Time-, Polarization-, Quadrature-) 43 Tbit/s Data Transmission of 6 SDM × 6 WDM × 1.2 Tbit/s Nyquist-OTDM-PDM-QPSK,
in Conference on Lasers and Electro-Optics (CLEO) 2014 paper: JTh5B.10
57. B. J. Puttnam, R. S. Luís, W. Klaus, J. Sakaguchi, J.-M. Delgado Mendinueta, Y. Awaji, N. Wada, Y. Tamura, T. Hayashi, M. Hirano and J. Marciante
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in European Conference on Optical Communication (ECOC) 2015 paper: PDP.3.1.
58 Koudai Harako, Daiki Seya, Daiki Suzuki, Toshihiko Hirooka, and Masataka Nakazawa
2.56 Tbit/s/ch (640 Gbaud) polarization multiplexed DQPSK non-coherent Nyquist pulse transmission over 525 km
in Optics Express 23, 30801 (2015)
59. Amirhossein Ghazisaeidi, Ivan Fernandez de Jauregui Ruiz and Rafael Rios-Müller, Laurent Schmalen, Patrice Tran, Patrick Brindel and Alexis Carbo Meseguer, Qian Hu, Fred Buchali, Gabriel Charlet and Jeremie Renaudier,
65Tb/s Transoceanic Transmission Using Probabilistically-Shaped PDM-64QAM
in European Conference on Optical Communication (ECOC) 2016 paper: Th.3.C.4.