Die Telekommunikation hat in den letzten Jahrzehnten viele Aspekte unseres Lebens verändert, indem sie unglaublich bequeme Möglichkeiten zum Teilen und Zugreifen auf Informationen bietet. Einer der wichtigsten Voraussetzungen für diese Transformation war die Einführung und Verbesserung von Breitbandtechnologien, die enorme Datenmengen über breite Frequenzbänder stopfen, um beispiellose Übertragungsgeschwindigkeiten zu erreichen. Heutzutage verfügen die meisten großen Städte über glasfaserbasierte Netzwerke, die Highspeed-Internet direkt zu jedem Haushalt verteilen.
Leider ist es aufgrund der damit verbundenen Kosten und erforderlichen Tiefbauarbeiten nicht immer möglich, Glasfaserverbindungen an abgelegenen Orten und in ländlichen Gebieten zu installieren. Solche Orte könnten von einem anderen Ansatz für die optische Breitbandkommunikation profitieren: Freiraumoptik. Die Hauptidee der optischen Freiraumkommunikation (FSO) besteht darin, bei Bedarf ausgerichtete Sender-Empfänger-Paare einzurichten und Luft als Medium zur Übertragung der Signale zu verwenden.
Während bei FSO-Systemen noch viele Herausforderungen zu bewältigen sind (wie geringe Energieeffizienz, Witterungseinflüsse und hohe Hintergrundgeräusche), versuchen Wissenschaftler weltweit ständig neue Wege, um diese Probleme zu lösen und höhere Datenraten zu erreichen.
Vor diesem Hintergrund hat ein Forschungsteam am Institut Polytechnique de Paris zusammen mit Forschern der École Normale Supérieure in Frankreich kürzlich erhebliche Fortschritte in der FSO-Kommunikation mit unipolaren quantenoptoelektronischen (UQO) Geräten erzielt.
Wie in berichtet Fortgeschrittene Photonikerstellte das Team erfolgreich Langstrecken-FSO-Verbindungen unter Verwendung eines externen Modulators, der auf dem Stark-Effekt basiert und mit zwei Arten von UQO-Detektoren im Empfänger verbunden ist. Sie erreichten mit dieser Art von Technologie beispiellose Datenraten und zeigten ihr ungenutztes Potenzial.
Der Sender und die beiden Detektoren, die die Forscher in ihrem System verwenden, arbeiten im mittleren Infrarotbereich, also mit Wellenlängen zwischen 8 und 12 µm. In diesem Frequenzbereich erfährt das Signal bei seiner Ausbreitung in der Atmosphäre eine sehr geringe Absorption, Streuung und Verzerrung. Die Senderseite verwendete einen kommerziellen Quantenkaskadenlaser, der bei Raumtemperatur arbeitete, kombiniert mit einem neuartigen externen Modulator.
Die Detektorseite (die kleine und verrauschte Signale richtig erfassen und interpretieren sollte) verwendete entweder einen Quantenkaskadendetektor (QCD) oder einen Quantentopf-Infrarot-Photodetektor (QWIP). Letzteres ist komplexer und weist normalerweise eine bessere Leistung auf, muss jedoch mit Stickstoff gekühlt werden, während das QCD ungekühlt gelassen und bei Raumtemperatur verwendet werden kann. Mit anderen Worten, es gibt einen Kompromiss zwischen Leistung, Komplexität und Kosten der beiden UQO-Detektoren.
Zuerst bewertete das Team die maximale Datenrate ihrer FSO-Verbindung in „Back-to-Back-Konfiguration“, was bedeutet, dass der Ausgang des Senders direkt in den Eingang des Detektors gesendet wird. Dann führten sie eine kommerzielle Herriott-Zelle zwischen den beiden ein. Dieses hermetische Gerät enthält sorgfältig konstruierte Spiegel, um ein optisches Eingangssignal mehrmals hin und her prallen zu lassen, bevor es austritt, wodurch eine längere Strecke für das Signal simuliert wird. In diesem Fall betrug die effektive Länge des Lichtwegs 31 m.
Um die Leistung ihres Kommunikationssystems in Bezug auf Geschwindigkeit und Fehlerresistenz zu verbessern, wandten die Forscher mehrere unabhängige Techniken an, nämlich die Impulsformung des übertragenen Signals in Kombination mit einigen Vor- und Nachverarbeitungsmethoden.
„Wir haben eine rekordverdächtige Bitrate von 30 Gbit/s sowohl für 2-Level- (OOK) als auch für 4-Level-Modulationsschemata (PAM-4) in einer 31-Meter-Ausbreitungsverbindung erreicht“, bemerkt der korrespondierende Autor Pierre Didier, Ph. D. Student in der Gruppe von Prof. Frédéric Grillot bei Télécom Paris: „Darüber hinaus waren die beobachteten Bitfehlerraten mit etablierten Fehlerkorrekturalgorithmen kompatibel, die auf der Empfängerseite implementiert werden können“, fügt er hinzu.
Es ist erwähnenswert, dass dies das erste Mal ist, dass ein FSO-Übertragungssystem hohe Datenraten im Wellenlängenbereich von 8–12 µm über eine so große Entfernung erreicht. Somit stellt diese Arbeit einen wichtigen Schritt in Richtung der Realisierung von Hochgeschwindigkeits-FSO-Telekommunikationsverbindungen dar, die durch den Einsatz von UQO-Geräten wetterfest sind. Weiterentwicklungen bei der Integration von UQO-Geräten sowie Verbesserungen in der unterstützenden Optik und Elektronik können dazu beitragen, Highspeed-Internet an schwierige Orte zu bringen.
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Pierre Didier et al., Optische Freiraumverbindung mit hoher Kapazität in den thermischen atmosphärischen Fenstern mit mittlerem Infrarot unter Verwendung von unipolaren Quantengeräten, Fortgeschrittene Photonik (2022). DOI: 10.1117/1.AP.4.5.056004