Weltrekordaufbau mit 100 Gigabit pro Sekunde: Die Empfängereinheit (links) nimmt das Funksignal auf, das vom Oszillsokop (rechts) aufgezeichnet wird.

Weltrekordaufbau mit 100 Gigabit pro Sekunde: Die Empfängereinheit (links) nimmt das Funksignal auf, das vom Oszillsokop (rechts) aufgezeichnet wird. KIT

Der Ausbau der kabelgebundenen Telekommunikationsnetze bedeutet hohe Investitionskosten. Das gilt für urbane Ballungsräume wie den ländlichen Raum gleichermaßen. Hier könnte die Breitband-Datenübertragung durch Richtfunkstrecken dabei helfen, an strategischen Knotenpunkten Flüsse, Autobahnen oder Naturschutzgebiete zu überqueren und den Netzausbau wirtschaftlich machen. In ihrem Rekordversuch haben Wissenschaftler Daten mit einer Geschwindigkeit von 100 Gbit/s bei einer Frequenz von 237,5 GHz über eine Entfernung von 20 m im Labor übertragen. Im Rahmen des vom BMBF geförderten Projektes „Millilink“ hatten die Forscher in früheren Experimenten bereits 40 Gbit/s und Übertragungsdistanzen von über 1 km 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.“

In den Experimenten wurden neueste photonische und elektronische Technologien miteinander kombiniert: Zuerst werden die Funksignale mit Hilfe 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.

Der Sender erzeugte die Funksignale mittels eines sogenannten ultra-breitbandigen Photonenmischers von 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. 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.

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.