Die Terabit-Abtastung analoger Signale

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Am Anfang steht die Null und die Eins, die aus analogen Signalen entstanden sind. Um Sprache, Bild und Ton für das Internet kompatibel zu machen, müssen analoge Signale in digitale Signale umgewandelt werden. Der Einsatz von Analog Digital (AD)-Wandler wie sie Klaus Bressler und Julian Endres in ihrem "Kapitel über AD- und DA-Wandler“ beschreiben, ist damit elementar für das Internet der Dinge. Wie groß die Datenströme werden können, wird dabei entscheidend vom Umwandlungsverfahren bestimmt. 

Weil heute die Abtastung vor allem mit elektronischen Schaltungen durchgeführt wird, lassen sich die Möglichkeiten wie sie die Datenrate eines Glasfasernetz bietet, nicht mehr ausreizen. Zudem benötigen die Schaltkreise sehr viel Energie, die wiederum fast vollständig in Wärme umgewandelt wird. Um diese Wärme wieder abzuführen, muss zusätzliche Energie zugeführt werden. Nun ist es Forschern der THz-Photonics group von Professor Thomas Schneider an der Technischen Universität Braunschweig gelungen, eine völlig neue Idee der Abtastung analoger Signale zu entwickeln und umzusetzen. Künftig lassen sich Datenraten in der Größenordnung von mehreren Terabit je Sekunde umwandeln. Ein Terabit pro Sekunde entspricht der Übertragung von 130.000 bis 230.000 Videos in HD-Qualität zur gleichen Zeit.

Mit geringem Aufwand sehr hohe Datenraten abtasten

"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“, erklären die Forscher. Bei optischen Abtastern hingegen findet eine direkte Multiplikation zwischen dem Signal und zeitlich kurzen Laserpulsen in einem nichtlinearen Kristall oder einer nichtlinearen Faser statt. Nach den Regeln der sogenannten Fouriertransformation entspricht eine Multiplikation im Zeitbereich einer Faltung im Frequenzbereich. Dementsprechend basiert die neue Methode der Braunschweiger "auf einer Faltung des Signalspektrums mit einem Frequenzkamm“, erklärt Schneider.

"Auch wenn die zugrunde liegende Mathematik relativ kompliziert erscheine, so sei die praktische Umsetzung der Methode verhältnismäßig einfach“. Seiner Ansicht nach, lassen sich „ganz im Gegensatz zur Elektronik 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“. Optische Abtaster haben laut der Entwickler 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).

Wie funktioniert die Signalabtastung bei der Analog-Digital-Umwandlung?

Ein weiterer Vorteil: Das optische Signal muss 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.

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.

Erzielt wurden die Forschungsergebnisse mit Hilfe von Berufungsmittelen von Professor Schneider. Die WissenschaftlerInnen 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.