Analog-Digital-Umwandlung mit sehr hohen Datenraten Neues Verfahren ermöglicht eine optische Abtastung ohne optische Quelle
Die Datenströme im Internet nehmen mit jeder neuen Anwendung zu. Damit sie überhaupt erst übertragen werden können, werden analoge Signale in digitale Signale umgewandelt. Wie groß die Datenströme werden können, wird dabei entscheidend vom Umwandlungsverfahren bestimmt. Die THz-Photonics group von Prof. Thomas Schneider an der Technischen Universität Braunschweig hat nun eine Methode entwickelt, mit der Datenraten in der Größenordnung von mehreren Terabit je Sekunde umgewandelt werden können. Ein Terabit pro Sekunde entspricht der Übertragung von 130.000 bis 230.000 Videos in HD-Qualität zur gleichen Zeit.
Der THz-Photonics group ist es gelungen, eine völlig neue Idee der Abtastung analoger Signale zu entwickeln und umzusetzen. Alle bisher eingesetzten Abtaster multiplizieren das analoge Zeitsignal mit Folgen von sehr kurzen Impulsen. Bei elektronischen Abtastern wird das Signal mit der Torfunktion, eine Rechteckfolge des Schaltkreises, multipliziert. Bei optischen Abtastern findet eine direkte Multiplikation zwischen dem Signal und zeitlich kurzen Laserpulsen in einem nichtlinearen Kristall oder einer nichtlinearen Faser statt.
Nach den Regeln der so genannten Fouriertransformation entspricht eine Multiplikation im Zeitbereich einer Faltung im Frequenzbereich. Dementsprechend basiert die neue Methode der Braunschweiger THz-Photonics group auf einer Faltung des Signalspektrums mit einem Frequenzkamm. Auch wenn die zugrunde liegende Mathematik relativ kompliziert erscheine, erklärt Prof. Schneider, so sei die praktische Umsetzung der Methode verhältnismäßig einfach. Ganz im Gegensatz zur Elektronik lassen sich schon mit geringem Aufwand sehr hohe Datenraten abtasten. Außerdem lässt sich die Methode auf einem Silizium-Photonik Chip auf kleinstem Raum integrieren und alle Parameter der Abtastung lassen sich von außen durch elektrische Signale steuern.
Erzielt wurden die Forschungsergebnisse mit Hilfe von Berufungsmittelen von Prof. Schneider. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler der THz-Photonics group arbeiten derzeit an einer Integration der Methode auf der Basis der „silicon-on-insulator“ (SOI)-Technologie, bei der mit Silizium dasselbe Material und dieselbe Technologie wie bei Computerchips verwendet wird.
Hintergrund Signalabtastung bei der Analog-Digital-Umwandlung
Die Abtastung ist der erste Schritt, um ein analoges Signal in ein digitales zu verwandeln. Dieses digitale Signal kann dann mit Computern verarbeitet oder über Glasfasern und mit Funkwellen übertragen werden. Ein Computer, das Internet oder auch Smartphones können nur einzelne Messgrößen, die in festen Zeitabständen aufgenommen werden, verarbeiten oder übertragen. Diese periodische Messung eines bestimmten Wertes an einem bestimmten Ort nennt man Abtastung. Ein Schaltkreis öffnet für eine fest definierte Zeit ein Tor zu einem Messgerät. Dementsprechend wird der Wert nur in der Zeit der Toröffnung abgenommen. Bislang wird die Abtastung vor allem mit elektronischen Schaltungen durchgeführt. Das reicht aus, so lange Werte mit relativ geringer Datenrate abgetastet werden sollen. In den weltweit verlegten Glasfasernetzen des Internet steigt die Datenrate aber kontinuierlich an.
Die Elektronik, die dort zum Einsatz kommt, arbeitet heute bereits an der Grenze ihrer Möglichkeiten. Die verwendeten Schaltkreise benötigen sehr viel Energie, die fast vollständig in Wärme umgewandelt wird. Um diese Wärme wieder abzuführen, wird zusätzliche Energie benötigt. Eine weitere Steigerung der Datenraten wäre dementsprechend mit einem großen Aufwand verbunden. Optische Abtaster haben hingegen den Vorteil, dass sie sehr große Bandbreiten im Terahertz-Bereich (1 THz = 1012 Hertz) bieten und damit sehr große Datenraten im Terabit je Sekunde-Bereich verarbeiten können (1 Tbit/s entspricht der Datenrate von mehr als 65.000 UHD-Videos bei Internet-Streamingdiensten). Zusätzlich muss das optische Signal in einer Glasfaser nicht erst in ein elektrisches Signal gewandelt werden, wie bei elektronischen Abtastern. Allerdings benötigen optische Abtaster eine Quelle, die sehr kurze Pulse mit einer festen und sehr stabilen Wiederholrate liefert. Derartige modengekoppelte Laser sind relativ groß und die Abtastparameter wie Abtastrate und Abtastbandbreite lassen sich nicht einfach verändern. Vor allem lassen sich modengekoppelte Laser nicht auf einem Chip integrieren, wie es mit der von der „THz-Photonics group“ entwickelten Methode gegenwärtig erprobt wird.