Schnelle, sichere und drahtlose Kommunikation für eine vernetzte Welt

Schnelle und globale Kommunikation ist essentiell in unserer immer weiter vernetzten Welt. Laut der Weltbank ist ein breitbandiger Internetzugang eine Grundvoraussetzung für wirtschaftliche und menschliche Entwicklung, kein Luxus.¹ Er eröffnet Möglichkeiten für Bildung, Arbeit, medizinische Versorgung sowie für Transparenz und Rechenschaftspflicht der Regierung, die sonst verloren gehen würden. Die optische Freiraumkommunikation (englische Abkürzung FSO für „free-space optical communication“) beinhaltet den Einsatz von Lasern, um Daten von einem Ort zu einem anderen zu übertragen, z. B. von einem Satellit zu einer teleskopartigen Bodenstation, von einem Satellit zu einem anderen oder zwischen verschiedenen Orten am Boden (Abbildung 1). Nach Angaben von Global Market Insights wird der FSO-Markt in den nächsten fünf Jahren um über 35% wachsen und bis 2027 von 200 Millionen USD auf 2 Milliarden USD ansteigen.² Neben einem schnellen Internetzugang, der auch Gebiete ohne Glasfaseranschluss erreichen kann, bietet FSO die Möglichkeit einer hochsicheren Kommunikation für Verteidigungsanwendungen, die nur schwer abgefangen werden kann.

Abbildung 1: Genereller Ablauf der optischen Freiraumkommunikation

High-Speed-Internet: ein modernes Grundbedürfnis

Die Weltbank schätzt, dass 80% der Bevölkerung in den Industrienationen über einen breitbandigen Hochgeschwindigkeitsinternetzugang verfügen, während nur 35% der Bevölkerung in den Entwicklungsländern einen Breitbandzugang haben.¹ „Breitband“ ist hier definiert als Internet, das schneller ist als Internet per Einwahl über das Telefonnetz. Die optische Freiraumkommunikation bietet das Potential für eine bessere drahtlose Kommunikation sowohl für Gruppen, die schon über einen breitbandigen Internetanschluss verfügen, also auch für Gruppen, denen dies noch nicht zur Verfügung steht. Die optische Kommunikation ermöglicht eine Steigerung der Bandbreite um 10x - 100x verglichen mit der drahtlosen Kommunikation über Funkfrequenzen und benötigt weniger Eingangsleistung.³ Die Kosten für die Errichtung von Bodenstationen zum Empfang von FSO-Signalen sind deutlich geringer als die Kosten für die Installation neuer Glasfaserverbindungen, aufgrund der hier anfallenden Arbeits- und Aushubkosten. In einigen Fällen kann auch die FSO-Kommunikation von einem Ort auf dem Boden zu einem anderen günstiger sein als die Verlegung optischer Fasern.

Derzeitige kommerziell verfügbare FSO-Netze weisen typische Datenraten von 100 Mbit/s bis 10 Gbit/s auf, während High-End-Prototypen Kapazitäten von bis zu 160 Gbit/s haben.⁴ Viele verschiedene Firmen bauen gerade Satellitennetzwerke auf, die eine optische Freiraumkommunikation mit hoher Geschwindigkeit ermöglichen (Abbildung 2). Die optische Freiraumkommunikation bietet eine zukunftsfähige Lösung für den Aufbau von globalen, drahtlosen Breitbandverbindungen.⁵

Abbildung 2: Es wurden bereits Satellitennetze eingerichtet, um die optische Kommunikation zu bodengestützten Empfängern zu ermöglichen.

Sichere FSO-Kommunikation für den Verteidigungsbereich

Die optische Freiraumkommunikation ist auch für den Verteidigungsbereich relevant, da sie verglichen mit anderen drahtlosen Kommunikationsmethoden sehr sicher ist. FSO-Laserübertragungen können verschlüsselt werden, sind unsichtbar oder schmalbandig, können nicht mit HF-Messgeräten oder Spektrumanalysatoren entschlüsselt werden, breiten sich entlang einer Sichtlinie aus, die nur schwer abgefangen werden kann, und es wird ein passender FSO-Empfänger benötigt, um die Informationen zu erfassen.⁴ Die Empfänger für die FSO-Kommunikation können mobil und leicht zu bedienen sein, sodass ein Einsatz im Verteidigungsbereich einfach möglich ist. All dies führt zu einer schnellen, sicheren Kommunikation mit hoher Bandbreite, die Leben retten kann.

Optische Komponenten in der Freiraumkommunikation

Optische Systeme, die für den Empfang von FSO-Signalen ausgelegt sind, müssen sehr empfindlich sein, da die atmosphärische Absorption, die Dispersion, die großen Entfernungen zwischen Sender und Empfänger und die Szintillation zu einer großen Abschwächung des ausgehenden Signals führen (Abbildung 3). Unter Szintillation versteht man schnelle Schwankungen des empfangenen Signals aufgrund der Struktur der Atmosphäre, durch die sich das Licht ausbreitet.⁶

Für die optische Freiraumkommunikation sind die Punktgenauigkeit und Stabilität des optischen Systems wichtige Faktoren. Aufgrund der geringen Strahldivergenz, die der laserbasierten Kommunikation eigen ist (etwa 10x geringer als bei Funksignalen), ist die Punktgenauigkeit bei FSO wichtiger als bei der herkömmlichen Funk-Kommunikation.⁸ Die Anforderungen an die Punktgenauigkeit liegen in der Regel in der Größenordnung von mehreren hundert µrad, sodass zusätzliche kardanische Aufhängungen oder andere Steuerungsmechanismen erforderlich sein können.⁹ Enge mechanische Toleranzen bei der Konstruktion der optomechanischen Baugruppe können Bewegungen der internen Linsenelemente verhindern, was wiederum die Punktgenauigkeit verbessert. Die ungewünschte Bewegung der Linsenelemente in der optischen Baugruppe kann über Verkippung und Dezentrierung oder eine Kombination der Effekte über mehrere Linsen beschrieben werden (Abbildung 4). Weitere Informationen hierzu finden Sie in unserem Anwendungshinweis Tips for Designing Manufacturable Lenses and Assemblies. Die in FSO-Systemen verwendeten Algorithmen sind sorgfältig darauf abgestimmt, die schwachen, schmalbandigen Signale besser zu orten und zu empfangen.

Abbildung 4: A. Verkippung eines Linsenelements. B. Kombinierte Verkippung. C. Dezentrierung eines Linsenelements. D. Kombinierte Dezentrierung.