Schneller auf dem Daten-Highway

Schneller auf dem Daten-Highway

Das SCHOTT-Kompetenzfeld Beschichtung zeigt Flagge: Optische Hightech-Filter beschleunigen die Informationsübertragung auf dem Weg in Photonen-Zeitalter.
Heute nutzen weltweit rund 170 Millionen Menschen das Internet. In den nächsten zwei Jahren soll sich diese Zahl vervierfachen. Auch der Versand von Informationen unter dem Sammelbegriff Multimedia und Online-Geschäfte (E-Commerce) nehmen zu und verlangen eine deutliche Steigerung der Übertragungsleistungen von Telekommunikationsnetzen. Dies betrifft nicht mehr nur die Überbrückung großer, teils transkontinentaler Entfernungen in „Wide Area Networks", die das Datenaufkommen ganzer Regionen bündeln und weiter transportieren. Auch und gerade in städtischen Zonen und auf kürzeren Strecken erfordert die zunehmende Signaldichte künftig größere Kapazitäten der Kabelnetze. Studien schätzen, dass dieser Bedarf die Bandbreitenlast um rund 35 Prozent pro Jahr ansteigen lasse.
Optische Filter zum „Multiplexen"

Durch eine optische Glasfaser, Nachfolgerin herkömmlicher Kupferkoaxialkabel, transportieren Photonen heute etwa 2,5 Gigabit (Milliarden Bit) Daten pro Sekunde. Das entspricht über 150.000 Textseiten oder 30.000 gleichzeitiger Telefongespräche. Modernste Glasfaser- Übertragungssysteme, so genannte DWDM (Dense Wavelength-Division Multiplexing)-Systeme, erreichen in optischen Netzen jedoch bereits 600 bis 800 Gigabit Übertragungsleistung und mehr – und das ohne einen zusätzlichen Meter Kabel verlegen zu müssen.

Bei einer dieser zukunftsprächtigen DWDM-Technologien spielen optische Filter eine Schlüsselrolle. Seit Anfang 1999 widmet sich SCHOTT der Herstellung solcher Filter und bringt dabei ein entscheidendes Kompetenzfeld ein: die Beschichtung der winzigen Filter-Glaswürfel. Diese dünnen Schichten können scharf begrenzte Wellenlängenbereiche aus Lichtstrahlen filtern – eine Eigenschaft, die gleichzeitig das DWDM-Funktionsprinzip des „Multiplexens" abbildet.
Zum Verständnis: Licht bewegt sich in einer Glasfaser fort, indem es von deren Glasmantel-Innenfläche zickzackartig weiter reflektiert wird. Dies ist möglich, weil der Brechungsindex des Fasermantelglases sich von dem im Faserkern unterscheidet. Beim „Multiplexen" koppeln nun Laserdioden mehrere signaltragende Lichtstrahlen im Infrarotbereich in die Glasfaser ein. Die Strahlen unterscheiden sich geringfügig in ihrem Wellenlängenspektrum und beeinflussen sich deshalb nicht gegenseitig nicht. Bildlich gesprochen werden die Farben des Lichts dabei zu einzelnen Spuren der Datenautobahn, auf denen separat Informationen fließen können. Es entstehen viele Kanäle, und die Übertragungskapazität einer einzigen Glasfaserstrecke vervielfacht sich.

Den Empfang eines solchen Übertragungskanals steuert ein optisches Filter, das ausschließlich eine vorher festgelegte optische Bandbreite passieren lässt und andere reflektiert. So werden nur bestimmte Frequenzbereiche abgezweigt. Die Filter werden auf den verschiedensten Glasfaser-Netzebenen bis hin zu transnationalen Strecken eingesetzt. Für die Übertragung optischer Signale über weite Entfernungen sind Singlemodefasern aus Quarzglas im Wellenlängenbereich des C-Bands von 1.530 bis 1.563 nm bisher am besten geeignet. Hier ist die Signal-Dämpfung am geringsten. Längere Strecken verlangen den noch etappenweisen Einsatz optischer Signal-Verstärker (Erbium Doped Fiber Amplifier) im Abstand von zumeist 700 Kilometern. Weitere DWDM-Komponenten sind mikrooptische und monolithisch integrierte optische Schalter, Empfänger, optische Isolatoren und Koppler.
Polieren von optischen Gläsern.
Zersägen der beschichteten Scheibe in DWDM-Filterwürfel.
Funktionsprinzip "Multiplexen"
Enorme Kapazitätssteigerungen

Multiplexen mit 30 bis 40 Kanälen wird derzeit praktiziert. Mit dieser Technologie könne die Kapazität der Glasfasernetze in den nächsten zehn Jahren verhundertfacht werden, sagen Fachleute. Ziel ist die weitere Verschmälerung der Kanäle, so dass immer mehr Daten in einem Glasfaserkabel Platz haben. In den USA wurden bereits erste transatlantische Verbindungen mit Bandbreiten von über einem Terabit (1.000 Gigabit) pro Sekunde und mehr als 60 Kanälen gestartet. Nortel-Forscher erreichten kürzlich gar 6,4 Terabit. Durch jeden einzelnen der 80 Kanäle jagte dabei die gewaltige Datenmenge von 80 Gigabit. Der DWDM-Systemtakt ist dementsprechend attraktiv: „Er umfasste 1998 über zwei Milliarden US-Dollar und wächst mit fast 30-prozentigen Jahresraten", sagt Dr. Rüdiger Hentschel, in dessen Verantwortung das SCHOTT-Filterprojekt läuft. „Superdynamisch" sei der Markt auch, weil sich zurzeit insgesamt drei DWDM-Technologien ein Kopf-an-Kopf-Rennen lieferten. „Arrayed Wave Guides" trumpfen mit 80 Übertragungskanälen auf – Tendenz steigend. Die optischen Lichtwellenleiter sind allerdings sehr teuer und verlangen die unumkehrbare Festlegung auf eine bestimmte Anzahl von Kanälen. Auch „Bragg Gratings" ermöglichen hohe Kanalzahlen. Bei den optischen Gittern schreiben Laser Strukturen direkt in die Glasfaser. Die (Massen-)Fergigung ist jedoch allenfalls aufwendig und kostenträchtig.
Marktpotential für DWDM-Filter

Mit den optischen Filtern setzt SCHOTT auf ein prinzipiell festgelegtes Kanalpotenzial. Die Technologie ist aber gut zu beherrschen und kann – bis zu einem gewissen Limit – mit dem Marktbedarft wachsen. Außerdem ist die Massenproduktion kostengünstig, da es sich bei den Filtern um „passive" Bauteile ohne Energiezuführung und Temperaturstabilisierung handelt.

Angesichts fas halbjähriger Innovationszyklen auf diesem Gebiet ist die ständige Verbesserung der DWDM-Filter für das SCHOTT-Projektteam Pflicht. Nach Auslieferung von 200-Gigahertz-Filtern steht die 100-Gigahertz-Generation mit halbierter Frequenzbreite für eine höhere Kanalzahl in der Entwicklung. Erste Testergebnisse bei Kunken klingen ebenfalls vielversprechend – Lohn des extrem hohen Produktionsaufwands der Filter. Dazu zählt die Glasbeschichtung sowie die Weiterverarbeitung zu Würfeln und anschließende Vermessung und Prüfung jedes einzlnen Filterquaders. Trotz dieses Aufwands gilt die Devise: Die Ware soll in wniger als zwei Wochen ab Bestelleingang beim Kunden sein. Eine anspruchsvolle Materie – und ein Bereich, in dem zunehmend Arbeitsplätze entstehen werden.
News, Messen & Events
30.
Januar
Messe Photonics West, San Francisco, USA, 30.01 - 01.02.2018
11.
Januar
Messe Monumento, Salzburg, Österreich, 11.01 - 13.01.2018
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