Bessere optische Kommunikation mit gedrehtem Licht
Die gegenwärtigen Wachstumsraten des Datenverkehrs in den Netzen werden größtenteils von Diensten angetrieben, welche die Internetnutzung drastisch steigern. Video-on-Demand, soziale Netzwerke und Cloud Computing-Dienste stellen für die Rechenzentren eine erhebliche Belastung der Leistungsfähigkeit dar und könnten die Funktionsfähigkeit des Netzes beeinträchtigen. Bisher wurde eine große Anzahl von technischen Lösungen und Netzwerkarchitekturen vorgeschlagen und untersucht, um Probleme dieser Art zu lösen. Diese behandeln überwiegend die Verbesserung der Skalierbarkeit, der Bandbreite und des Stromverbrauchs der optischen Verbindungen und Schalter im Datenverarbeitungszentrum. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts ROAM griffen Wissenschaftler auf eine selten ausgenutzte Eigenschaft des Lichts, den Bahndrehimpuls, zurück, um die über eine Lichtleitfaser übertragbare Datenmenge zu steigern und die Leistungsfähigkeit optischer Schaltern in Rechenzentren zu verbessern. Multiplexverfahren für den Bahndrehimpuls In Abhängigkeit von der räumlichen Feldverteilung hat der Strahl eine spiralförmige oder gedrehte Wellenfront, die viele ganzzahlige Werte annehmen kann. „Anders als bei konventionellen Kommunikationssystemen, bei denen Photonen als Einsen und Nullen zur Übertragung von Daten dienen, ermöglicht der Bahndrehimpuls des Lichts auf seinen vielen spiralförmig gedrehten Modi eine Kodierung zusätzlicher Daten. Damit verkörpert der Bahndrehimpuls ein gewisses Potenzial für eine Steigerung der Kapazität der Kommunikationssysteme“, sagt Projektkoordinatorin Prof. Antonella Bogoni. ROAM setzte sich aktiv mit der Nutzung dieser ganz besonderen Lichteigenschaft auseinander, um die Lichtleitfaserübertragungskapazität für hochdichte Verbindungen kurzer Reichweite zu erhöhen. Hauptkonzept zur Kapazitätssteigerung ist die Kombination zweier verschiedener Orthogonal-Multiplexverfahren: Mode-Division-Multiplexing unter Einsatz des Bahndrehimpulses mit Wellenlängenmultiplexierung. Durch die Kombination dieser beiden Verfahren gelang es dem Projektteam, das Potenzial zur Übertragung mehrerer unabhängiger Datenkanäle über denselben Lichtwellenleiter zu demonstrieren. Zu Beginn wurden zehn koaxiale Bahndrehimpulsmodi gleichzeitig auf 16 Wellenlängen über eine Lichtleitfaser von einem Kilometer Länge übertragen. Das Multiplex-Glasfaser-Übertragungssystem konnte auf diese Weise 160 Datenkanäle bereitstellen. Die Forschung konzentrierte sich im Folgenden auf die Erweiterung der Reichweite der Lichtleitfaserübertragung. „Wir konnten mit Erfolg acht Bahndrehimpulsmodi über zehn Wellenlängen mit einem Datenstrom von jeweils 32 GBit/s multiplexieren, was dem aktuellen Stand der Technik entspricht“, merkt Prof. Bogoni an. So konnte das Projektteam nachweisen, dass Bahndrehimpulsmodi bis zu zehn Kilometer weit übertragen werden können. OAM-Multiplexing zeigte vollständige Kompatibilität zu den üblichen Technologien, während außerdem ein minimierter Kanalkodierungs-Overhead ausgeführt wurde. Hochleistungsschalter in Datenverarbeitungszentren Übliche Verbindungstechnik in Rechenzentren leidet unter niedrigen Datenübertragungsraten, mangelnder Flexibilität und Skalierbarkeit sowie erhöhtem Energieverbrauch. In letzter Zeit hat optisches Schalten deutlich an Eigendynamik gewonnen, da es eine verbesserte Skalierbarkeit durch Nutzung mehrerer Domänen wie etwa Wellenlänge, Raum und Zeit bietet. Das ROAM-Team arbeitete an der Entwicklung eines rekonfigurierbaren Schalters auf Grundlage von Silizium-Photonik durch Manipulation verschiedener Bahndrehimpulsmodi und Wellenlängen. „Mit dem Hinzufügen einer weiteren Schaltdomäne innerhalb eines mehrschichtigen Verbindungsnetzwerks kann die Skalierbarkeit optischer Schalter weiter erhöht und der Stromverbrauch gesenkt werden“, erklärt Prof. Bogoni. Zunächst demonstrierte das Team einen neuartigen Silizium-Photonenschalter, der stark skalierbar ist und wenig Energie verbraucht. Durch Kombination von zehn Bahndrehimpulsmodi und 16 Wellenlängenmultiplexierungs-Wellenlängen bei 30 GBit/s Datenübertragungsrate erreichte die Schaltungs-Gesamtkapazität 20 TBit/s pro Sekunde, was eine hochgradig skalierbare Verkehrsbündelung gestattet. Diese Schaltlösung wurde mit genormten Lichtwellenleiter-Arrays verbunden, um vollständige Kompatibilität zu den heute üblichen Architekturen im Rechenzentrum zu erreichen. Die Entwicklung einer Vorrichtung im Chipformat, die Bahndrehimpulsmodi erzeugen, manipulieren und zwischen ihnen umschalten kann, bedeutet, dass es mehrere Anwendungen gibt, die über optische Übertragungssysteme einschließlich Bildgebung, Quantennutzung und Sensorik hinausgehen.
Schlüsselbegriffe
ROAM, Bahndrehimpuls, Modi, Multiplexierung, Datenverarbeitungszentrum, Wellenlängenmultiplexierung, Lichtwellenleiter, optischer Schalter, Skalierbarkeit, Übertragungskapazität
