Fortschritte in der Freiraum-Optischen Kommunikation

Frei-Raum-Optische Kommunikation (FSO) ist eine Technologie, die es ermöglicht, Daten mit Lichtstrahlen schnell zu übertragen. Diese Methode ist besonders nützlich in Situationen, wo traditionelle Glasfaserkabel zu teuer oder unpraktisch zum Installieren sind. Wenn Licht jedoch durch die Atmosphäre reist, kann es Turbulenzen begegnen, was zu Verzerrungen in den Signalen führt. Diese Verzerrungen können die Kommunikationsqualität negativ beeinflussen.

Um diese Herausforderungen zu meistern, entwickeln Forscher fortschrittliche Geräte, die mehrere Lichtsignale in Echtzeit kohärent kombinieren können. Diese Technik hilft, die durch Turbulenzen verursachten Verzerrungen zu korrigieren, was es einfacher macht, hohe Datenraten aufrechtzuerhalten.

#Silizium-Photonischer Kohärenter Kombinierer

Ein solches Gerät ist der Silizium-Photonische kohärente Kombinierer, der 32 Eingangsoptiksignale in ein einziges Ausgangssignal kombinieren kann. Dieses Gerät wird mit einem speziellen Siliziumprozess hergestellt, der Verluste minimiert und gleichzeitig eine effiziente Leistung gewährleistet. Die grundlegenden Komponenten dieses Kombinierers umfassen eine Reihe von Interferometern und Phasenverschiebungsgeräten, die zusammenarbeiten, um die Auswirkungen von Turbulenzen zu verringern.

Das Design beinhaltet 31 Mach-Zehnder-Interferometer (MZIs) und 31 Fotodetektoren, was es geeignet macht für Umgebungen mit turbulenten Bedingungen. Jedes MZI kann die Phase des Lichts anpassen, was Echtzeitkorrekturen der übertragenden Signale ermöglicht.

#Die Bedeutung der Frei-Raum-Optik

Frei-Raum-Optik hat aufgrund ihres Potenzials für extrem hohe Datenraten, die manchmal Terabits pro Sekunde über lange Strecken erreichen, Aufmerksamkeit erregt. Diese Technologie ist besonders vielversprechend für zukünftige Kommunikationssysteme wie 5G, 6G und Satellitenkommunikation.

Allerdings wird die effiziente Funktionsweise von FSO-Systemen durch atmosphärische Turbulenzen behindert, die zu unterschiedlichen Signalqualitäten aufgrund von Änderungen im Lichtweg führen. Traditionelle Methoden zur Bewältigung dieses Problems beinhalten grosse mechanische Systeme mit Spiegeln und Sensoren, die umständlich sein können und sich nicht gut für kompakte Anwendungen eignen.

#Adaptive Optik und Turbulenzminderung

Adaptive Optik ist eine Technologie, die hilft, diese Verzerrungen zu korrigieren. Sie basiert normalerweise auf einem System von Spiegeln und Sensoren, um den Lichtweg in Echtzeit anzupassen. Obwohl effektiv, benötigen diese traditionellen Systeme viel Platz und sind nicht ideal für den Einsatz in mobilen Anwendungen wie Satelliten oder Drohnen.

Der neue Ansatz kombiniert Modaldekomposition mit einem photonischen Schaltkreis. In diesem Fall wird das verzerrte Lichtsignal in verschiedene geführte Wellen getrennt, die dann so kombiniert werden, dass die Gesamtqualität des Signals verbessert wird. Diese Methode hängt nicht von sperriger mechanischer Ausrüstung ab und kann sich schnell an sich ändernde Bedingungen anpassen.

#Photonische integrierte Schaltungen (PICs)

Der kohärente Kombinierer nutzt photonische integrierte Schaltungen (PICs), die mehrere optische Komponenten in einem kompakten Chip integrieren können. Diese Integration ermöglicht eine Reduzierung der Grösse, verbesserte Zuverlässigkeit und bessere Leistung, was sie gut geeignet für Anwendungen in der Frei-Raum-Optik macht. Der für den kohärenten Kombinierer bei VTT in Finnland entwickelte Chip basiert auf einer verlustarmen Siliziumplattform, was ihn effektiv für die Kombination von 32 Eingangssignalen macht und dabei eine kleine Stellfläche bewahrt.

#Hauptmerkmale des Kombinierers

Dieser silizium-photonische kohärente Kombinierer verwendet verschiedene innovative Merkmale, um seine Wirksamkeit sicherzustellen:

1. Geringe Verluste: Der Herstellungsprozess ist darauf ausgelegt, optische Verluste zu minimieren, wenn die Signale durch das Gerät fliessen. Dies ermöglicht eine klarere Signalübertragung und -empfang.

2. Thermische Phasenverschieber: Die integrierten thermischen Phasenverschieber können die Phase der Lichtsignale schnell anpassen. Dies ist entscheidend, um die Auswirkungen von Turbulenzen zu mildern, da sich die Atmosphäre schnell ändern kann.

3. Hochgeschwindigkeitsbetrieb: Das Gerät kann mit hohen Geschwindigkeiten arbeiten, was notwendig ist, um grosse Datenmengen effektiv und effizient zu verarbeiten.

4. Kompaktes Design: Durch die Integration mehrerer Funktionen in einen einzigen Chip wird die Grösse des Systems erheblich reduziert, was die Bereitstellung in verschiedenen Umgebungen erleichtert.

#Geräteherstellung und -test

Die Herstellung dieses kohärenten Kombinierers umfasst eine Reihe präziser Prozesse, um Qualität und Leistung sicherzustellen. Nachdem der Chip erstellt wurde, wird er mit den notwendigen Komponenten für Tests und die Bereitstellung in realen Szenarien verpackt.

#Messungen der optischen Verluste

Um die Leistung des kohärenten Kombinierers zu bewerten, wurden Tests durchgeführt, um die Einfügeverluste und die Effektivität der optischen Wege zu messen. Diese Messungen zeigten, dass das Gerät zwar gut funktionierte, die Verluste jedoch höher waren als erwartet, besonders während der optischen Kupplungsphase.

#Leistungscharakterisierung

Die Charakterisierung ist entscheidend, um sicherzustellen, dass das Gerät die erforderlichen Spezifikationen erfüllt. Tests haben gezeigt, dass die Phasenverschieber über ausreichende Bandbreite verfügen und die erforderlichen Phasenverschiebungen erzeugen konnten, um mit turbulenten Bedingungen umzugehen. Allerdings sind weitere Verbesserungen notwendig, um die optischen Verluste des Geräts zu reduzieren.

#Zukünftige Entwicklungen

Obwohl die aktuelle Version des kohärenten Kombinierers vielversprechend für die Turbulenzminderung ist, gibt es Bereiche, in denen Verbesserungen möglich sind. Durch die Optimierung der Herstellungsprozesse erwarten die Forscher, die optischen Verluste erheblich zu senken, die thermische Isolation zu verbessern und den Stromverbrauch in zukünftigen Iterationen zu optimieren.

#Optischer Interposer

Eine der wichtigsten Verbesserungen umfasst die Hinzufügung eines optischen Interposers. Diese Komponente kann helfen, die Kopplungsverluste zu reduzieren und die Gesamtleistung des Geräts zu verbessern, wodurch es besser für reale Anwendungen geeignet wird.

#Mögliche Anwendungen

Die Entwicklung effektiver kohärenter Kombinierer hat weitreichende Implikationen für verschiedene Bereiche. Neben der Verbesserung der Satellitenkommunikationsfähigkeiten können diese Geräte auch in städtischen Umgebungen angewendet werden, wo die traditionelle Infrastruktur schwer umsetzbar ist.

Darüber hinaus haben sie Potenzial für Quantenkommunikationssysteme, da sie in der Lage sind, hohe Datenraten trotz atmosphärischer Störungen aufrechtzuerhalten. Mit fortschreitender Forschung und technologischem Fortschritt bleibt die Aussicht für die Frei-Raum-Optische Kommunikation vielversprechend.

#Fazit

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass der Silizium-Photonische kohärente Kombinierer einen bedeutenden Fortschritt im Bestreben darstellt, die Auswirkungen von Turbulenzen in den Systemen der Frei-Raum-Optischen Kommunikation zu mildern. Durch innovative Designs und Herstellungstechniken können diese Geräte robuste Lösungen für die Hochgeschwindigkeitsdatenübertragung bieten.

Fortlaufende Forschung und Entwicklung werden ihre Effektivität weiter verbessern und den Weg für eine Zukunft ebnen, in der die drahtlose Kommunikation zuverlässig und effizient ist, unabhängig von den atmosphärischen Bedingungen. Mit dem Reifen dieser Technologien wird erwartet, dass sie eine entscheidende Rolle in der nächsten Generation von Kommunikationssystemen spielen.