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Optronik: Lichtschalter für Glasfasernetze

Netzknoten sind der Flaschenhals der schnellen Kommunikationsleitungen, denn die Vermittlung von Signalen erfolgt bislang elektrisch.


Ein Terabit pro Sekunde – diese unglaubliche Datenrate, die rechnerisch der Bündelung von 16 Millionen ISDN-Kanälen entspricht, soll amerikanischen Prognosen zufolge bereits in fünf Jahren auf einer einzigen Glasfaser erreicht werden. Derzeit sind es vierhundertmal weniger: Die optischen Netze der Deutschen Telekom befördern zwischen den Großstädten 2,5 Gigabit (Milliarden Bit) pro Sekunde. Die enorme Leistungssteigerung wird teilweise das Ergebnis optimierter Übertragungstechniken auf dem Lichtleiter sein, sie lässt sich aber ohne ein neues Bauelement nicht denken: den optischen Schalter.

Denn ein Kommunikationsnetz besteht nicht allein aus Leitungsstrecken, Sendern und Empfängern, sondern auch aus Vermittlungsstellen, die Signale beispielsweise von einer Glasfaser auf eine andere schalten, bis sie am Bestimmungsort ankommen. Dafür muss man derzeit noch optische in elektrische Signale umwandeln und nach dem Schalten daraus erneut solche aus Licht generieren. Das setzt der Geschwindigkeit Grenzen: Derzeit sind zehn Gigabit pro Sekunde das Maximum beim Schalten, das Vierfache soll bald möglich sein.

Die Lösung für diesen Flaschenhals steht schon in den Startlöchern: Der rein optische Schalter, der ohne den Umweg über die Elektronen auskommt. Dieser könnte beispielsweise aus einem Signal, das mit 160 Gigabit pro Sekunde durch ihn durchrast, ein einzelnes Bit herausgreifen und auf einen anderen Weg bringen. Dazu sind Schaltzeiten von einer Billionstel Sekunde erforderlich. In dieser Zeit bewegt sich ein Düsenjet gerade einmal um einen Atomdurchmesser vorwärts. Nur Licht kann Licht so schnell schalten.

Warum hat man ein solches Bauelement nicht längst realisiert? Die Antwort gibt die Alltagserfahrung: Licht beeinflusst Licht normalerweise nicht, Wellen verschiedener Frequenzen durchdringen die Ausbreitungsmedien, ohne voneinander Notiz zu nehmen.

Doch dieses Alltagswissen ist streng genommen der physikalische Grenzfall für kleine Lichtintensitäten, die so genannte lineare Optik. Innerhalb ihrer Grenzen bleibt die Lichtgeschwindigkeit in einem Medium beziehungsweise seine Brechkraft unabhängig von der Intensität. Bei großen Werten aber gilt das nicht mehr, dort beginnt die nichtlineare Optik. Die wohl vielversprechendste Idee des optischen Schalters beruht auf ihren Prinzipien: Ein Steuersignal aus Licht verändert den Brechungsindex des Leitungsmediums so, dass Interferenzphänomene entstehen, die letztlich Lichtwege öffnen oder sperren.

Eine solche Lichtweiche entsteht am Berliner Heinrich-Hertz-Institut für Nachrichtentechnik in der Arbeitsgruppe von Hans-Georg Weber. Gemeinsam mit seinen Mitarbeitern Reinhold Ludwig und Stefan Dietz erhielt er dafür 1999 den Philip-Morris-Forschungspreis. Die Wissenschaftler modifizierten ein konventionelles Mach-Zehnder-Interferometer (Grafik oben). Es hat zwei Eingänge, von denen hier aber nur einer der Signalzuführung dient, intern gibt es zwei optische Koppler als Kreuzungspunkte der beiden Interferometerarme sowie zwei Ausgänge. Dieser Schalter bringt Signale auf einen von zwei möglichen Wegen.

Die Daten tragende Lichtwelle wird im ersten Koppler "halbiert", die Teilwellen gelangen in die beiden Arme des Interferometers. Sobald sie Koppler Nummer zwei durchlaufen, entscheidet ein eventueller Phasenunterschied über das weitere Schicksal. Kommen gleiche Phasen – sozusagen die Momentaufnahmen der Wellen – zusammen, addieren sich die Amplituden (konstruktive Interferenz), und das ursprüngliche Signal ist das Ergebnis. Trifft hingegen bei einer Phasendifferenz von einer halben Wellenlänge Maximum auf Minimum, löschen sie sich gegenseitig aus (destruktive Interferenz).

Der Berliner Schalter nutzt in den Interferometerarmen einen optischen Halbleiterverstärker (SOA, siehe Kasten) als nichtlineares Element. Beide sind so abgeglichen, dass sich die Teilwellen ohne weitere Einflussnahme am Ausgang Eins konstruktiv, am Ausgang Zwei destruktiv überlagern. Ein Datenpuls wird also zunächst immer auf den mit Eins verbundenen Weg weitergeleitet. Um die Phasen geeignet zu verschieben und so das Signal auf den Ausgang Zwei zu schalten, erhält ein SOA einen optischen Steuerpuls, der seinen Brechungsindex verändert. Dazu reicht bereits ein Pikojoule, das ist ein Hundertbillionstel der Energie, die eine 100 Watt-Glühbirne pro Sekunde abstrahlt.

Ein Wort zu den Signalen selbst: Ein Bit wird als kurzer Wellenzug dargestellt, eine Folge von Daten erscheint also als Folge solcher Pulse. Um mehrere verschiedene Ströme gleichzeitig auf einer Glasfaser transportieren zu können, bedient man sich so genannter Multiplextechniken. So lassen sich mehrere Übertragungskanäle durch verschiedene Wellenlängen realisieren, die gemeinsam durch die Glasfaser laufen (und im Grenzfall der linearen Optik sich nicht gegenseitig stören). Dazu kommt das Zeitmultiplexing: Die Bitfolgen werden ineinander verschachtelt, um einen möglichst dichten Datenstrom, also eine hohe Übertragungsrate zu erhalten.

Ein optischer Schalter muss diesen Datenstrom neu sortieren, das heißt, beispielsweise alle Bits des Signals eins auf den Ausgang eins leiten und die von Signal zwei auf Ausgang zwei. Zwar stellt sich die Brechzahl eines SOA nach dem Steuerpuls von selbst wieder zurück, doch dauerte das zu lange. Deshalb manipuliert ein zweiter Puls den anderen Halbleiterverstärker, sodass die Phasendifferenz zwischen den beiden Teilwellen nun verschwindet – der ursprüngliche Zustand ist wieder hergestellt. Der zeitliche Abstand zwischen beiden Steuerpulsen wird so gewählt, dass das Schalten ungefähr die eingangs geforderte Pikosekunde dauert. Eine solche Komponente lässt sich sehr kompakt auf einem optischen Chip von wenigen Millimetern Abmessungen realisieren.

Mehrere Gruppen in Europa, USA und Japan haben Prototypen davon gebaut. Doch ist die beschriebene Anordnung noch nicht der Weisheit letzter Schluss. Denn sie ist nicht optimal, da Steuerpuls und Datenstrom meist in jenem Wellenlängenbereich liegen, für den der Halbleiterverstärker maximal verstärkt (meist 1550 Nanometer). Somit beeinflusst das informationstragende Signal ebenfalls die entstehende Phasendifferenz und damit den Schaltvorgang.

Die Lösung, die am Heinrich-Hertz-Institut entwickelt wird, basiert auf einem SOA, der bei kürzeren Wellenlängen von 1300 Nanometer optimal verstärkt, von den Bitströmen mit weiterhin 1550 Nanometer deshalb unbeeindruckt bleibt (man spricht von gewinntransparenten SOAs). Damit gelang es, ein optisches Datensignal von 640 Gigabit pro Sekunde, das aus acht Übertragungskanälen beziehungsweise Wellenlängen von jeweils 80 Gigabit pro Sekunde bestand, fehlerfrei zu zerlegen und jeden Übertragungskanal in acht Einzelsignale von jeweils 10 Gigabit pro Sekunde aufzuspalten. Der Schalter ist sogar so schnell, dass man damit ein Signal von außen abtasten kann, um die Qualität der Datenübertragung zu beurteilen.

Optischen Schaltern dürfte die Zukunft der Telekommunikation gehören. Freilich steckt diese Technik noch in ihren Anfängen, während die elektronischen Mittel sehr ausgereift sind. Es wird deshalb zunächst ein Nebeneinander der Techniken geben: Die Optik ermöglicht hohe Transportraten, die Elektronik übernimmt die Steuerung, die Speicherung von Daten und logische Operationen.


Licht verstärken mit Elektrizität


Im Prinzip ist der semiconductor optical amplifier (SOA) eine "abgemagerte" Laserdiode: Licht wird eingekoppelt und verstärkt, es fehlen aber die spiegelnden Endflächen, die durch Reflexionen für eine Gleichschaltung sorgen, bis nur Licht einer Wellenlänge die Diode verlässt. Wie beim Laser beruht die Verstärkung auf so genannter Besetzungszahlinversion: Elektrisch werden Elektronen von einem niedrigen in einen hohen Energiezustand gehoben (vom Valenz- ins Leitungsband). Von dort kehren sie entweder spontan zurück – und geben die Energiedifferenz in Form von Licht ab – oder werden dazu durch den Einfang eines Lichtquants stimuliert.

Der letztere Prozess bewirkt die Verstärkung des optischen Signals: Für jedes eintreffende Photon verlassen bis zu 1000 den SOA. Ein solcher Halbleiterverstärker ist zudem ein optisch nichtlineares Element, weil eine Änderung der Ladungsträgerdichte die Brechzahl verändert.

Solche Verstärkung gibt es nicht bei dezidierten Wellenlängen wie bei Gaslasern, eine Folge der in Halbleitern zu Bändern überlappenden Energieniveaus. Verstärkung beziehungsweise Gewinn gibt es vielmehr für einen relativ breiten Wellenlängenbereich. Zudem schwächt eine hohe optische Eingangsleistung die Verstärkung. Grund ist die begrenzte Zahl von angeregten Ladungsträgern im Leitungsband. Bei hohem Photonenfluss werden in kurzer Zeit zu viele davon durch stimulierte Emission verbraucht. Der SOA zeigt dann eine Sättigung, bis durch elektrisches Pumpen erneut Elektronen bereit stehen. Diese Erholungszeit ist relativ lang, sodass ein Lichtsignal, das zwischenzeitlich den Halbleiter durchläuft, unterschiedliche Verstärkungen erfährt.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 2 / 2001, Seite 76
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH
2 / 2001

Dieser Artikel ist enthalten in Spektrum der Wissenschaft 2 / 2001

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