Karlsruher Institut für Technologie (KIT) vermeldet Weltrekord

Drahtlose Datenübertragung bei 100 GBit/s

| Autor / Redakteur: Bernhard Lück / Andreas Donner

Weltrekordaufbau mit 100 GBit/s: Die Empfängereinheit (links) nimmt das Funksignal auf, das vom Oszillsokop (rechts) aufgezeichnet wird.
Weltrekordaufbau mit 100 GBit/s: Die Empfängereinheit (links) nimmt das Funksignal auf, das vom Oszillsokop (rechts) aufgezeichnet wird. (Bild: KIT)

Die Breitband-Datenübertragung durch Richtfunkstrecken könnte dabei helfen, Flüsse, Autobahnen oder Naturschutzgebiete an strategischen Knotenpunkten zu überqueren und den Netzausbau damit wirtschaftlich zu machen. Nun gibt es ein Verfahren, das 100 GBit/s ermöglicht.

Bei dem im Magazin Nature Photonics* beschriebenen Rekordversuch haben die Wissenschaftler Daten mit einer Geschwindigkeit von 100 GBit/s bei einer Frequenz von 237,5 GHz über eine Entfernung von 20 Metern im Labor übertragen. Im Rahmen des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) geförderten Projektes Millilink hatten die Forscher in früheren Experimenten bereits 40 GBit/s und Übertragungsdistanzen von über einem Kilometer im Freiland erzielt. Am Sender nutzten die Wissenschaftler nun gezielt ein photonisches Verfahren zur Erzeugung der Funksignale. Nach der Funkübertragung kamen am Empfänger vollintegrierte elektronische Schaltungen zum Einsatz.

„Im Projekt stand die nahtlose Einbindung einer breitbandigen Richtfunkstrecke in faseroptische Systeme im Mittelpunkt“, erklärt Prof. Ingmar Kallfass. Er koordinierte das Projekt Millilink im Rahmen einer Shared-Professorship, getragen vom Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF sowie dem Karlsruher Institut für Technologie (KIT), und forscht seit Anfang 2013 an der Universität Stuttgart. „Besonders für den ländlichen Raum bietet diese Technologie eine kostengünstige und flexible Alternative zu Glasfasernetzen, deren Ausbau dort oft nicht ökonomisch ist.“ Darüber hinaus sieht Kallfass auch Anwendungen für zu Hause: „Mit einer Datenrate von 100 GBit/s könnte man in nur zwei Sekunden den gesamten Inhalt einer Blu-ray Disc oder von fünf DVDs per Funk zwischen zwei Geräten übertragen.“

In den Experimenten wurden neueste photonische und elektronische Technologien miteinander kombiniert: Zuerst werden die Funksignale mithilfe eines optischen Verfahrens erzeugt. Mehrere Bits wurden dabei in sogenannten Datensymbolen zusammengefasst und gleichzeitig übertragen. Nach der Übertragung werden die Funksignale mit aktiven integrierten elektronischen Schaltungen empfangen.

Sender: Photonenmischer

Der Sender erzeugte die Funksignale mittels eines sogenannten ultrabreitbandigen Photonenmischers der japanischen Firma NTT-NEL. Dabei werden zwei optische Lasersignale unterschiedlicher Frequenz auf einer Photodiode überlagert. Es entsteht ein elektrisches Signal, welches als Frequenz die Differenz beider optischer Signale, hier 237,5 GHz, besitzt. Das hochfrequente elektrische Signal wird anschließend über eine Antenne abgestrahlt.

„Ein großer Vorteil des photonischen Verfahrens ist, dass damit Datenströme aus faseroptischen Systemen direkt in hochfrequente Funksignale umgewandelt werden können“, betont Prof. Jürg Leuthold, der die hier realisierte photonische Erweiterung vorschlug. Der ehemalige Leiter des Instituts für Photonik und Quantenelektronik IPQ am KIT ist mittlerweile an der ETH Zürich tätig. „Dieser Vorteil macht die Einbindung von hochbitratigen Funkstrecken in Glasfasernetze noch einfacher und flexibler.“ Im Gegensatz zu einem rein elektronischen Sender entfällt der Umweg über eine elektronische Schaltung. „Aufgrund der großen Bandbreite und der guten Linearitätseigenschaften des Photomischers eignet sich das Verfahren zudem hervorragend, um höherwertige Modulationsformate mit mehreren Amplitudenzuständen zu übertragen. Das ist ein Muss in zukünftigen faseroptischen Systemen“, fügt Leuthold hinzu.

Empfänger: Halbleiter-Chip

Für den Empfang der Funksignale ist man weiter auf elektronische Schaltungen angewiesen. In dem Experiment kam ein Halbleiter-Chip zum Einsatz, der am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF im Rahmen des Projektes Millilink hergestellt wurde. Die Halbleitertechnologie basiert auf Transistoren mit hoher Ladungsträgerbeweglichkeit (High-Electron-Mobility Transistor; HEMT) und ermöglicht es, aktive, breitbandige Empfänger für den Frequenzbereich zwischen 200 und 280 GHz in Form von kompakten, integrierten Schaltungen mit einer Chipgröße von wenigen Quadratmillimetern zu realisieren. Der Empfängerchip kommt außerdem mit höherwertigen Modulationsformaten zurecht, was eine bit-transparente Einbindung der Funkstrecke in moderne Glasfasernetze ermöglicht.

Bereits im Mai gelang dem Forscherteam mit dem rein elektronischen Vorgängersystem die erfolgreiche Langstreckendemonstration einer Datenrate von 40 GBit/s im Labor, sowie eine Übertragung von Hochhaus zu Hochhaus in der Karlsruher Innenstadt über einen Kilometer Entfernung. „Die hohen Übertragungsdistanzen werden in Millilink bisher von konventionellen Antennen ermöglicht, die in zukünftigen kompakten Systemen für den Indoor-Bereich durch voll integrierte miniaturisierte Antennenkonzepte ersetzt werden können“, sagt Prof. Thomas Zwick, Leiter des Instituts für Hochfrequenztechnik und Elektronik am KIT. Aber auch bei der Datenrate gibt es noch Steigerungspotenzial. „Durch optische und elektrische Multiplexverfahren, also einer gleichzeitigen Übertragung von mehreren unterschiedlichen Datenströmen, und durch den Einsatz mehrerer Sende- und Empfangsantennen, könnte die Datenrate nochmals vervielfacht werden“, sagt Swen König vom Institut für Photonik und Quantenelektronik IPQ am KIT, der das aktuelle Weltrekordexperiment konzipierte und durchführte. „Damit rücken Funksysteme mit einer Datenrate von 1 TBit/s näher.“

*Wireless sub-THz communication system with high data rate. S. Koenig, D. Lopez-Diaz, J. Antes, F. Boes, R. Henneberger, A. Leuther, A. Tessmann, R. Schmogrow, D. Hillerkuss, R. Palmer, T. Zwick, C. Koos, W. Freude, O. Ambacher, J. Leuthold, and I. Kallfass. Nature Photonics. doi: 10.1038/nphoton.2013.275.

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