Forscher haben mithilfe von plasmonischen Modulatoren – Geräten, die spezielle Lichtwellen, sogenannte Oberflächenplasmonpolaritonen, zur Steuerung und Änderung optischer Signale verwenden – Datenraten von bis zu 424 Gbit/s über eine 53 km lange optische Freiraumverbindung erreicht. Die neue Forschung legt den Grundstein für optische Hochgeschwindigkeitskommunikationsverbindungen, die Daten über offene Luft oder den Weltraum übertragen.
Optische Freiraum-Kommunikationsnetze könnten die Weltraumforschung unterstützen, da sie eine schnelle Datenübertragung mit hoher Kapazität und geringerer Latenz und weniger Störungen als herkömmliche Hochfrequenz-Kommunikationssysteme ermöglichen. Dies könnte zu effizienterer Datenübertragung, besserer Konnektivität und erweiterten Möglichkeiten für Weltraummissionen führen.
Laurenz Kulmer von der Leuthold-Gruppe der ETH Zürich wird diese Forschung präsentieren bei Grenzen der Optik und Laserwissenschaft (FiO LS), das vom 23. bis 26. September 2024 im Colorado Convention Center in Denver stattfinden wird.
„Die Hochgeschwindigkeitsübertragung im freien Raum ist eine Möglichkeit, die Welt zu verbinden, oder sie kann als Backup dienen, falls Unterwasserkabel reißen“, sagte Kulmer. „Dennoch ist sie auch ein Schritt in Richtung eines neuen, billigen Hochgeschwindigkeitsinternets, das alle Orte auf der Welt verbinden kann. Auf diese Weise kann sie zu einem stabilen Hochgeschwindigkeitsinternet für Millionen von Menschen beitragen, die derzeit keinen Anschluss haben.“
Plasmonische Modulatoren eignen sich ideal für Kommunikationsverbindungen im Weltraum, da sie kompakt sind und gleichzeitig über einen weiten Temperaturbereich hinweg mit hoher Geschwindigkeit und geringem Energieverbrauch arbeiten.
Bei optischen Freiraumexperimenten im Freien erreichten die Forscher Informationsraten von bis zu 424 Gbit/s unterhalb eines SD-FEC-Schwellenwerts von 25 % – dem Punkt, an dem ein System trotz Interferenzen oder Rauschen immer noch Fehler in übertragenen Daten beheben kann. Experimente mit einem plasmonischen IQ-Modulator in einem Standardfasersystem erreichten einen noch höheren Durchsatz von bis zu 774 Gbit/s/pol und blieben dabei unter einem SD-FEC-Schwellenwert von 25 %.
Basierend auf diesen Ergebnissen sagen die Forscher, dass die Kombination von plasmonischen Modulatoren mit kohärenter optischer Freiraumkommunikation dazu beitragen könnte, den Gesamtdurchsatz zu erhöhen, wobei Geschwindigkeiten von bis zu 1,4 Tbit/s möglich wären. Die Erkenntnisse zeigen auch, dass es vorteilhafter ist, optische Freiraumverbindungen mit den höchsten Geschwindigkeiten zu betreiben, als Modulationsformate höherer Ordnung und niedrige Geschwindigkeiten zu verwenden. Mit zusätzlichen Verbesserungen im Gerätedesign und der photonischen Integration sollte es den Forschern zufolge möglich sein, Polarisationsmultiplex-Datenraten von über 1 Tbit/s für jeden Polarisationskanal zu erreichen.
„Im nächsten Schritt werden wir die langfristige Zuverlässigkeit unserer Geräte testen“, sagte Kulmer. „Die Hochgeschwindigkeitsleistung wurde bereits nachgewiesen, aber wir müssen sicherstellen, dass sie auch in den härtesten Umgebungen, dem Weltraum, noch jahrelang funktionieren.“