Neue Forschungsgruppe „Space Division Multiplexing“ für effiziente Digitalisierung
Die im Rahmen des Förderprogramms „Fraunhofer Attract“ neu entstandene
Forschungsgruppe „Space Division Multiplexing“ (SDM) hat ihre Arbeit
aufgenommen. „Fraunhofer Attract“ bietet externen Forschenden die
Möglichkeit, ihre Ideen innerhalb eines Fraunhofer-Instituts marktnah zur
Anwendung voranzutreiben. In der Abteilung „Photonische Netze und Systeme“
(PN) des Fraunhofer Heinrich-Hertz-Instituts (HHI) arbeitet die SDM-Gruppe
daran, die Datenraten in glasfaseroptischen Netzwerken zu erhöhen. Die
Gruppe wurde im April 2023 gegründet und wird mit einer Laufzeit von 5
Jahren mit 2,5 Mio. Euro gefördert.
Glasfasernetze bilden die Grundlage der modernen globalen
Kommunikationsinfrastruktur. Bereits seit einigen Jahren steigen die
Datenmengen in diesen Netzen exponentiell an. Konventionelle
Glasfaserübertragungssysteme verwenden Singlemode-Fasern, die aufgrund
ihrer nichtlinearen Eigenschaften auf diese Wachstumssteigerung nicht
ausgelegt sind. Dies hat zur Entwicklung mehrerer neuartiger optischer
Fasern geführt, deren Kapazität durch räumliche Parallelität drastisch
erhöht wird. Diese als Raummultiplexing oder „Space Division Multiplexing“
(SDM) bezeichnete Technologie hat bisher eine Erhöhung der Datenraten pro
Faser um den Faktor 100 demonstriert.
Um einen kommerziell erfolgreichen Einsatz dieser Technologie in
zukünftiger Infrastruktur zu gewährleisten, muss ein gesamtes SDM-
Ökosystem entwickelt werden. Darauf zielt die neu gegründete Gruppe „Space
Division Multiplexing“ ab. In dem von ihr durchgeführten Projekt SpaceCOMM
(Space-Division Multiplexing for classical and quantum optical fiber
communications) wollen die Forschenden praktische Anwendungsfälle für SDM-
Technologie untersuchen. Dabei arbeiten sie eng mit Forschenden anderer
Gruppen und Abteilungen des Fraunhofer HHI zusammen, um vier
Schlüsselziele der Effizienzsteigerung zu verfolgen.
Das erste Ziel ist die digitale Signalverarbeitung mit mehreren Eingängen
und mehreren Ausgängen in Echtzeit. Um die Effizienz von räumlich
begrenzten Glasfaserkabeln zu steigern, untersuchen die Forschenden
Digital Signal Processing- (DSP) Funktionen in Mehrkern-Glasfasern. Dabei
kann jeder einzelne Faserkern zur Signalübertragung genutzt werden, sodass
unterschiedliche Signale zeitgleich durch ein Kabel übermittelt werden. So
kann die Anzahl an Fasern erheblich reduziert werden. Echtzeit- und
Hochgeschwindigkeits-DSP-Funkt
Kanäle widerherzustellen, die während der Übertragung in einer gekoppelten
SDM-Faser gemischt wurden.
Die herkömmliche Übertragung über Glasfaser beinhaltet das Senden von
Daten von einem Sender an einen Empfänger. In SpaceCOMM untersuchen die
Forschenden sog. Transceiver-Chips, welche mehrere Sender- als auch
Empfängermodule aufweisen und somit parallele Datenübertragung möglich
machen. Dadurch können Daten energiesparender und kostengünstiger
übertragen werden. Das zweite Ziel ist daher die Entwicklung von
Transceiver-Bausteinen, die für die SDM-Übertragung optimiert sind und
räumliche Multiplexing-Funktionen enthalten, um die Transceiver direkt mit
der neuen SDM-Faser zu verbinden.
Das dritte Ziel ist die Untersuchung energieeffizienter optischer
Verstärker für SDM. Da Glasfaserübertragungen nicht ohne Leistungsverluste
möglich sind, werden alle 50-100 km erbiumdotierte Faserverstärker (EDFAs)
an den Leitungen angebracht. Aufgrund des Absorptionsspektrums von EDFAs
können verschiedene Wellenlängenkanäle unterschiedliche Verstärkungen
erzielen. Die Forschenden wollen anhand ihrer Untersuchungen das
bestmögliche Verhältnis von erforderlicher elektrischer Leistung und
erreichbarer Verstärkung von EDFAs finden. Derartige Überlegungen zur
Energieeffizienz sind besonders wichtig bei Unterseekabeln, deren
Kapazität in der Regel durch die elektrische Leistung begrenzt ist, die
von der Küste geliefert werden kann.
Bei vollem Erfolg werden die Ziele 1 bis 3 zu einem Systemdemonstrator
eines gekoppelten SDM-Übertragungssystems kombiniert. Bei diesem sollen
voll integrierte SDM-Sende-Empfangs-Einheiten und EDFAs mit geringer
Bandbreite zum Einsatz kommen.
Als viertes Ziel soll die Nutzung von SDM-Fasern für die
Quantenschlüsselübertragung (Quantum Key Distribution, QKD) untersucht
werden. Bei diesen speziellen Datentransfers können keine Faserverstärker
eingesetzt werden, daher ist die Übertragungsdistanz der herkömmlichen
QKD-Übertragung durch den Datenverlust der Glasfasern begrenzt. Eine
Möglichkeit, sowohl die Übertragungsrate als auch die -distanz zu erhöhen,
ist der Einsatz hochdimensionaler Quantenschlüssel. Neuartige SDM-Fasern
haben das Potenzial, solche hochdimensionalen Quantenschlüssel zu
implementieren.
„Beim derzeitigen Stromverbrauch des Internets müssen wir neue Ansätze
finden, um die Effizienz unserer Infrastruktur zu erhöhen, so dass wir
Energie und Kosten einsparen können. „Fraunhofer Attract“ ermöglicht uns,
die aktuellen Forschungserkenntnisse im Bereich Space Division
Multiplexing näher an die Marktreife zu bringen. Darüber hinaus stärken
wir mit unserer Forschung Deutschland als Standort für Optische
Kommunikation: Die SDM-Technologie ist so disruptiv, dass ihre
Implementierung viele Innovationen hervorbringen wird“, so Prof. Dr.-Ing.
Georg Rademacher, der die neu gegründete SDM-Gruppe am Fraunhofer HHI
leiten wird.
Prof. Rademacher hat sich intensiv mit SDM-Technologien befasst und
mehrere sehr erfolgreiche Projekte durchgeführt, die zu Durchbrüchen bei
der Erforschung optischer Übertragungssysteme mit hoher Kapazität geführt
haben. Zeitgleich mit dem Projektstart hat er eine Stelle als Professor
und Institutsdirektor am Institut für Elektrische und Optische
Nachrichtentechnik an der Universität Stuttgart angetreten.
