Elektronik und Optik auf einem Chip Photonische ICs

Internet-Infakt verhindern durch Übergang elektronischen und optischen Bauelemente.
Internet-Infakt verhindern durch Übergang elektronischen und optischen Bauelemente.

Der Datenverkehr fordert Entwickler von Netzwerkkomponenten heraus. Ein Internet-Infarkt lässt sich aber verhindern. Dafür müssen zukünftig elektronische und optische Bauelemente auf denselben Chips gefertigt werden, monolithisch integriert.

Schon jetzt verdoppelt sich das weltweite Datenübertragungsvolumen etwa alle zwei Jahre. Durch das Internet of Things wird sich dieser Trend noch weiter beschleunigen (Tabelle). Zum einen erhöht sich die übertragene Datenmenge pro Person und zum anderen gibt es immer mehr Netzteilnehmer, zu denen neben Menschen dann auch immer mehr Geräte zählen. Das hat Folgen für die bestehenden Strukturen.

Es reicht nicht aus, in den Vermittlungen und Übertragungsstrecken einfach nur linear zu erweitern. Immer wieder stoßen die Betreiber dabei auf sogenannte »red brick walls«, deren Durchbruch grundsätzliche Änderungen der gesamten Architektur notwendig machen. So müssen alle paar Jahre große Teile der Hardware ausgetauscht werden.

Das betrifft nicht nur die Schaltelemente selbst, sondern auch die Verbindungsleitungen dazwischen. Weil das Verlegen neuer Kabel viel Geld kostet, ist der erste Ansatz, alle Möglichkeiten auszunutzen, um auf den bestehenden Leitungen die Übertragungskapazität zu erhöhen.

JahrDatenverkehrRelative Steigerung
 1992 100 Gbit pro Tag 1
 1997 100 Gbit pro Stunde24
 2002 100 Gbit/s86.400
 2007 2.000 Gbit/s1.700.000
 201416.144 Gbit/s14.000.000
 201931.794 Gbit/s 45.000.000

 

Tabelle. Der digitale Datenverkehr der Welt im Überblick: 1992 wurden 100 Gbit an einem Tag übertragen, 22 Jahre später waren es gute 16 Tbit in einer Sekunde

In großen Datencentern sind hunderttausende von Servern miteinander zu vernetzen. Das ist allein schon wegen der schieren Menge keine einfache Aufgabe (Bild 1). Dabei sollen die Installations- und Betriebskosten sowie die Leistungsaufnahme pro einzelner Schaltstelle auf das absolute Minimum gesenkt werden, denn schon jetzt verbrauchen große Datencenter Leistungen im zwei- bis dreistelligen Megawatt-Bereich – Tendenz weiter steigend.

Umrüstung auf optische Datenübertragung

Die konventionellen rein elektronischen Systeme stoßen an ihre Grenzen. Als überlegen zeigen sich optische Systeme, genauer: photonische. Bei diesen Systemen reicht, im Unterschied zu optischen Systemen, die klassische Wellenoptik zur Beschreibung nicht mehr aus, weil quantenphysikalische Effekte stark ausgeprägt sind.

Nachdem sich die Lichtwellenleiter in der Fernübertragung schon vor Jahrzehnten durchgesetzt haben, ziehen sie zunehmend auch in den Bereich der Kurzstrecken ein, d. h. innerhalb von Datencentern in die unteren Hierarchieebenen bis herab zu Längen von wenigen Metern – von den einzelnen Servern zu den »Top of Rack Switches« (TOR).

Bisher dominieren noch Kupferkabel wegen ihrer niedrigeren Kosten; 10 Gbit/s schaffen sie gerade eben noch, 25 oder 40 Gbit/s aber nicht mehr. Teilweise sind sie bereits durch Multimode-Glasfasern ersetzt worden, aber das ist auch nur eine Zwischenlösung. Wo immer optische Verbindungen neu installiert werden, wählt man heute praktisch nur noch Singlemode-Fasern. So braucht man diese bei späteren Aufrüstungen des Systems nicht noch einmal umständlich auszutauschen, sondern ersetzt nur noch die optischen Sender- und Empfängermodule (Transceiver).

Ein wichtiger Schritt, um die Übertragungsbandbreite pro Faser zu steigern, war schon vor Jahren die Einführung des Wellenlängen-Multiplex. Innerhalb von Datencentern wird CWDM (Coarse Wavelength Division Multiplexing) mit einem spektralen Kanalabstand von 20 nm eingesetzt, auf Fernübertragungsstrecken DWDM (Dense Wavelength Division Multiplexing), wo die Kanäle im Frequenzbereich rund um 193 THz in ein Raster von 50 GHz gelegt sind, entsprechend einem Wellenlängenabstand von 0,4 nm. Zur Trennung der Signale stehen verschiedene Arten von optischen Demultiplexern zur Verfügung, beruhend auf dem Prinzip des Beugungsgitters.

400 Gbit/s durch PAM4-Verfahren

Parallel dazu sucht man nach Wegen, die Bandbreite noch weiter zu erhöhen. Derzeit läuft der Übergang von 40 auf 100 Gbit/s durch Steigerung der Signalrate von 10 GBaud auf 25 GBaud in Transceivern mit je vier parallelen Übertragungskanälen (Bild 2). In Planung ist der Sprung auf 400 Gbit/s. Zum einen erreicht man das über eine gesteigerte Signalrate, zum anderen mit effizienteren Modulationsverfahren.

Das konventionelle Prinzip »On/Off-Keying« (OOK) mit einfachem Ein- und Ausschalten des Lichtes bietet noch nicht das Optimum. Zwei Bit pro Übertragungsschritt (Baud) sind möglich, indem man vier verschiedene Intensitätsstufen einführt. Das »PAM4«-Verfahren (Pulse Amplitude Modulation) erfordert im Empfänger allerdings eine sehr viel genauere Unter-scheidungsfähigkeit für die einzelnen Niveaus und damit ein höheres Signal-Rausch-Verhältnis.

Bild 3 zeigt das zugehörige Augendiagramm. Deshalb sind höhere Laserleistungen sowie eine nachträgliche Aufbereitung der Daten mittels aufwendiger Signalverarbeitung (analog oder digital) notwendig. Bisher wird diese Technik wegen ihrer höheren Kosten nur bei längeren optischen Übertragungsstrecken eingesetzt, etwa in Metro-Netzen bis etwa 80 km, neuerdings zieht sie aber zunehmend auch auf den kürzeren Strecken ein.

Im Bereich sehr langer Strecken, sprich Ozeankabeln, werden auch noch andere Verfahren eingesetzt, die technisch aufwendiger und entsprechend teurer sind, dafür aber noch mehr Bit pro Baud ermöglichen. Hierzu zählt u.a. die kohärente Übertragung.

Sie ist dem Superheterodyn-Prinzip ähnlich, das im Radio verwendet wird: Der Empfänger überlagert das ankommende Signal zur Detektion mit dem eines lokalen Oszillators, wobei sich die Differenzfrequenz bildet. Ein Vorteil der Methode ist, dass außer der Amplitude auch die Phase detektierbar ist. Das erlaubt Modulationsverfahren wie optisches QAM. Noch einmal eine Verdoppelung bringt das Polarisations-Multiplex-Verfahren. Dabei werden zwei Wellen in die Faser eingespeist, deren Polarisationen um 90 ° verdreht sind.