Die Technologie der faseroptischen Sender breitet sich aus den traditionellen Kommunikationsbereichen aus. Im Bereich der künstlichen Intelligenz sind optische Hochgeschwindigkeitsverbindungen der Schlüssel zur Überwindung von Rechenengpässen. in der Kommunikation mit sichtbarem Licht (VLC) könnte es neue spektrale Ressourcen für 6G bereitstellen. Durch die Integration mit Technologien wie der Mikrowellenphotonik kann es auch auf breitere Bereiche wie Sensorik, Bildgebung und Verteidigung angewendet werden.
01 Technologische Entwicklung
DerGlasfasersender, eine Kernkomponente optischer Kommunikationssysteme, wandelt sich von einem einzelnen-Funktionsmodul zu einem intelligenten, hoch-effizienten System. Frühe Glasfasersender führten in erster Linie eine grundlegende elektro-optische Umwandlung durch, doch mittlerweile sind sie zu einem Schlüsselelement geworden, das die Leistung ganzer Kommunikationsnetzwerke bestimmt.
Nach neuesten Forschungsergebnissen des Fraunhofer-Instituts können herkömmliche Glasfasersysteme den Anforderungen zukünftiger Anwendungen nicht mehr gerecht werden. Dies hat Forscher dazu gezwungen, fortschrittlichere faseroptische Übertragungstechnologien zu entwickeln, wie etwa den Einsatz von wellenlängenselektiven Schaltern und räumlichem Multiplexen, um die Netzwerkkapazität und -flexibilität zu verbessern.
Eine entscheidende Richtung in der technologischen Entwicklung ist die Verbesserung der spektralen Effizienz. Forscher haben neue Arten von Gittern entwickelt, um die spektrale Auflösung von traditionell 100 GHz auf 25 GHz zu erhöhen. Dadurch werden die Frequenzbänder für die Datenübertragung schmaler und die Datenpakete kleiner, sodass mehr Datenpakete gleichzeitig innerhalb derselben Glasfaser übertragen werden können.
02 Leistungsvorteile
Der Grund, warum Glasfasersender zum Kern moderner Kommunikationsnetze geworden sind, liegt in ihren vielfältigen Leistungsvorteilen. Die Fähigkeit zur Hochgeschwindigkeitsübertragung ist eines ihrer hervorstechendsten Merkmale und unterstützt Datenübertragungsraten von Gbit/s und noch höher.
Aufgrund dieser Eigenschaft sind sie weit verbreitet in Szenarien einsetzbar, die eine massive Datenübertragung erfordern, wie z. B. bei der Verbindung von Rechenzentren und beim Breitbandzugang. Im Gegensatz dazu sind herkömmliche Kupferkabel unter vergleichbaren Bedingungen sowohl hinsichtlich der Übertragungsrate als auch der Entfernung erheblich eingeschränkt.
Glasfasersender verwenden optische Signale zur Datenübertragung, was im Vergleich zu herkömmlichen Kupferkabeln zu geringeren Übertragungsverlusten und Dämpfungen führt. Dies bedeutet, dass Signale über große Entfernungen eine hohe Qualität und Stabilität beibehalten können, wodurch die Auswirkungen der Signaldämpfung auf die Kommunikationsqualität verringert werden.
Diese Eigenschaft ist besonders wichtig für Szenarien, die eine Abdeckung über große Entfernungen erfordern, wie etwa Metropolitan Area Networks (MANs) und Wide Area Networks (WANs).Glasfasersenderkann eine Datenübertragung über Dutzende oder sogar Hunderte von Kilometern erreichen.
Glasfasersender sind während der Übertragung weniger anfällig gegenüber externen elektromagnetischen Störungen. Im Vergleich zur Kabelübertragung können sie die Signalintegrität und -stabilität besser aufrechterhalten, sind weniger anfällig für Umwelteinflüsse und gewährleisten eine sichere und zuverlässige Datenübertragung.
03 Anwendungsszenarien
Die Anwendungsszenarien für Glasfasersender haben sich von der traditionellen Telekommunikation auf mehrere aufstrebende Industrien ausgeweitet. Ihre Leistungsmerkmale bestimmen ihre Eignung für verschiedene Szenarien.
Die folgende Tabelle vergleicht die Leistungsanforderungen für Glasfasersender in verschiedenen Anwendungsszenarien:
| Anwendungsszenario | Hauptleistungsanforderungen | Typische Übertragungsentfernung | Technische Eigenschaften |
|---|---|---|---|
| Rechenzentrumsverbindung | Hohe Geschwindigkeit, geringe Latenz | Mittlere-Kurze Distanz | Hohe-Bereitstellungsdichte, geringer Stromverbrauch |
| MAN/WAN | Große Distanz, hohe Stabilität | Zehn bis Hunderte Kilometer | Starker Störschutz, geringer Verlust |
| Zukünftige Netzwerke (6G/Quantum Comm.) | Ultra-Hohe Kapazität, Flexibilität | Kombinierte Lang-/Kurzstrecke | Multiplexing-Technologien, Skalierbarkeit |
| CATV-Netzwerke | Hohe Signalqualität, große Abdeckung | Ferngespräche | Hohe Ausgangsleistung, Verzerrungskontrolle |
| Überwachungssysteme | Stabil und zuverlässig, hohe Anpassungsfähigkeit | Mittlere-Kurze Distanz | Starke Anpassungsfähigkeit an die Umgebung, einfache Bereitstellung |
Im Bereich der Rechenzentrumsverbindungen zeichnen sich die geringe Größe und das geringe Gewicht von ausGlasfasersenderermöglichen ein flexibles Layout und eine flexible Installation in Umgebungen mit begrenztem Platz{0}}. Die Verwendung optischer Module und Patchkabel ermöglicht eine Verkabelung und Portbereitstellung mit hoher -Dichte und erfüllt damit die Anforderungen großer Rechenzentren an Schnittstellendichte und Gerätekompaktheit.
Mit der Entwicklung neuer Technologien wie autonomen Fahrzeugen, 6G-Mobilkommunikation und Quantenkommunikation steigt die Nachfrage nach Glasfasernetzen kontinuierlich. Diese Anwendungen erfordern höhere Datenübertragungsraten und geringere Latenzzeiten, die herkömmliche Glasfasersender nicht mehr vollständig erfüllen können.
Das vom deutschen Fraunhofer-Institut entwickelte WESORAM-Projekt hat erfolgreich die Fähigkeit demonstriert, Signale beliebig von 8 Eingangskanälen auf 16 Ausgangskanäle zu leiten. Diese „Cross--Fähigkeit erhöht die Netzwerkkapazität und bietet eine größere Flexibilität für die Übertragung und Weiterleitung von Datenströmen.
Auch in Kabelfernsehnetzen (CATV) spielen speziell entwickelte Glasfasersender eine wichtige Rolle. Beispielsweise sind die extern modulierten 1550-nm-Sender der I-Type Medallion 6000-Serie von EMCORE für internationale CATV-Systeme optimiert und unterstützen Glasfaserverbindungen von bis zu 150 Kilometern.
04 Branchenfortschritt
Die faseroptische Sendertechnologie unterliegt einer rasanten Entwicklung und zahlreiche innovative Forschungsprojekte treiben den Fortschritt auf diesem Gebiet voran. Wissenschaftler haben einen großen Durchbruch bei der Geschwindigkeit der Glasfaserkommunikation erzielt und eine Übertragungsrate von 1,84 Pbit/s über eine etwa 8 - Kilometer lange Glasfaser erreicht.
Diese Geschwindigkeit entspricht der Übertragung von Daten von etwa 236 Festplatten mit einem -Terabyte (1 TB) pro Sekunde, was etwa dem Doppelten des aktuellen gesamten weltweiten Internetverkehrs entspricht. Noch bemerkenswerter ist, dass das Forschungsteam zum ersten Mal mit nur einem „einzelnen Laser + einem einzigen optischen Chip“ eine Geschwindigkeit von mehr als 1 Pbit/s erreichte.
Der Schlüssel zu diesem Durchbruch war die optische Frequenzkammtechnologie. Diese Technologie wandelt Licht von einem Infrarotlaser in ein aus vielen Farben bestehendes Regenbogenspektrum um, wobei die Frequenz und Frequenzunterschiede zwischen jedem monochromatischen Licht festgelegt sind, wodurch es für das Wellenlängenmultiplex geeignet ist.
Das gesamte erzeugte Licht ist kohärent, was eine gemeinsame digitale Signalverarbeitung zwischen verschiedenen Kanälen ermöglicht und letztendlich die Datenübertragungsraten erheblich beschleunigt.
Auch in der Multicore-Glasfasertechnologie wurden erhebliche Fortschritte erzielt. Ein Forschungsteam des US-amerikanischen National Institute of Standards and Technology (NIST) hat zum ersten Mal gezeigt, dass ultra{2}stabile optische Atomuhrsignale kompatibel mit Telekommunikationsdaten in einer mehradrigen Glasfaser übertragen werden können, die über mehrere Dutzend Kilometer verteilt ist.
Das bedeutet, dass entstehende Glasfasernetze mit hoher -Kapazität nicht nur riesige Datenmengen übertragen, sondern möglicherweise auch Atomuhren auf der ganzen Welt mit hoher Präzision synchronisieren könnten.
05 Herausforderungen und Zukunft
Trotz erheblicher Fortschritte steht die Glasfaserübertragungstechnologie immer noch vor einigen Herausforderungen. Einer davon sind die Kosten, insbesondere bei WDM-Systemen (Wellenlängenmultiplex), wo die Kosten für optische und optoelektronische Komponenten hoch sind, was teilweise auf die Notwendigkeit einer präzisen Wellenlängenabstimmung zurückzuführen ist.
Die physikalischen Eigenschaften der in diesen Komponenten verwendeten Dielektrika sind temperaturabhängig-. Diese Temperaturempfindlichkeit kann zu Verschiebungen der Filterwellenlängen führen.
Das vom Fraunhofer HHI-Institut initiierte Projekt OPTIMUX widmet sich der Entwicklung innovativer und effizienter Multiplexing-Lösungen für den gesamten Übertragungsweg. Der Schwerpunkt des Projekts liegt auf optimalen Multiplexing-Strategien für die Glasfaser-Datenübertragung mittels räumlichem Multiplexing mit dem Ziel, Symbolraten bis zu 300 GBd zu erreichen.
Mit der rasanten Entwicklung der Digitalisierung und der Zunahme datengesteuerter Anwendungen stößt die bestehende Netzwerkinfrastruktur an ihre Grenzen. Während Wellenlängenmultiplex eine gängige Methode ist, bietet räumliches Multiplexing einen neuen Weg zur Netzwerkoptimierung. Durch die Nutzung mehrerer Faserkerne und Übertragungsmodi kann die Kapazität deutlich gesteigert werden.
