Diese optische Faser bleibt auch bei mechanischer Beanspruchung stabil
Um große Netzwerke zu bauen, läuft nichts ohne Lichtwellenleiter. Mechanische Beanspruchungen beeinträchtigen aber die Qualität der Übertragung von Informationen. Das Problem lässt sich beheben – mit einer Idee aus der Mathematik.
Forschende aus Großbritannien verbessern die Informationsübertragung mit Lichtleitern. Ihr Trick: ein mathematisches Verfahren.
Foto: Panthermedia.net/Foto-Ruhrgebiet
Lichtwellenleiter sind wichtige Bestandteile modernen Informationsnetze. Von der Kommunikation über weite Strecken hinweg über das Internet bis hin zur Datenübertragung in Hochgeschwindigkeit für Rechenzentren oder an Börsen spielen sie ihre Stärken aus. Ohne die Komponenten ist Kommunikation in einer globalisierten Welt nicht mehr denkbar.
Nur sind Netzwerke aus Glasfasern alles andere als perfekt. Die Informationsübertragung kann beeinträchtigt werden, wenn mechanische Kräfte auf optische Fasern wirken. „Beim Einsatz in einem Netz kann die Faser auch verdreht und gebogen werden“, sagt Nathan Roberts, Doktorand an der University of Bath, Großbritannien. Um dieses Problem zu lösen, haben Physikerinnen und Physiker eine neue Art von Glasfasern entwickelt.
„Eine Möglichkeit, Schwankungen und Defekte auszugleichen, besteht darin, bei der Entwicklung von Glasfasern auf eine robuste Informationsübertragung zu achten“, sagt Roberts. Zusammen mit Kolleginnen und Kollegen hat er optische Fasern hergestellt, die Licht mithilfe der Topologie schützen können: einem Teilgebiet der Mathematik, das sich mit der Lage und der Anordnung von Objekten im Raum befasst. Solche modifizierten Fasern sind leicht skalierbar. Sie behalten ihre Struktur über Tausende von Kilometern hinweg.
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Schutz des Lichts vor „Unordnung“ in der optischen Faser
Zum Hintergrund: Kommerziell eingesetzte Glasfasern haben einen Durchmesser von 125 Mikrometern. Sie bestehen in der Regel hat aus einem Kern aus festem Glas, der von einem Mantel umgeben ist. Licht wandert durch den Kern, wo es wie an einem Spiegel reflektiert wird.
Beim Einsatz in der Praxis werden Glasfasern nicht nur auf geraden Strecken verlegt. Kurven, Schleifen und Biegungen sind Teil des Weges von Datenleitungen. Solche Strukturen können dazu führen, dass die Übertragung von Informationen auf dem Weg zwischen Sender und Empfänger beeinträchtigt wird. Hinzu kommen sehr geringe physikalische Fehler im Material, die sich über weite Strecken hinweg jedoch aufsummieren.
Um fehlertolerantere Fasern herzustellen, nutzte das Team in Bath die Topologie, sprich die mathematische Untersuchung von Größen, die trotz kontinuierlicher Verzerrungen der Geometrie unverändert bleiben. Ihre Prinzipien werden bereits in vielen Bereichen der physikalischen Forschung eingesetzt. Dadurch gelingt es, die störenden Auswirkungen einer ungeordneten Umgebung zu vermeiden.
Wie setzten Forschende topologische Konzepte um? Sie integrierten mehrere Licht leitende Kerne in einer Faser und verknüpften sie spiralförmig. Das Licht kann zwischen diesen Kernen hin- und herspringen, bleibt aber dank des topologischen Designs in der Kante gefangen. „Mit unserer Faser wird das Licht weniger durch Störungen in der Umgebung beeinflusst als in einem entsprechenden System ohne topologisches Design“, bestätigt Anton Souslov von der University of Bath. „Durch den Einsatz von Glasfasern mit topologischem Design haben wir die Möglichkeit, Effekte, die Signale verschlechtern würden, zu umgehen.“
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Optische Fasern für Quantencomputer
Das Team sucht nun nach Partnern aus der Industrie, um ihr Konzept weiterzuentwickeln und zu kommerzialisieren. „Wir sind sehr daran interessiert, Menschen beim Aufbau robuster Kommunikationsnetze zu helfen, und wir sind bereit für die nächste Phase dieser Arbeit“, erklärt Souslov.
Hier geht es um weitaus mehr als um klassische Netzwerke. Die Physikerinnen und Physiker rechnen damit, dass Quantennetze in den kommenden Jahren eine wichtige Rolle spielen werden. Quantentechnologien sind in der Lage, Informationen deutlich leistungsfähiger zu speichern und zu verarbeiten, als es klassische Computer heute können. Außerdem lassen sich Nachrichten fehlerfrei und abhörsicher über globale Netzwerke zu versenden.
Quantenzustände des Lichts, die Informationen übertragen, werden jedoch leicht von ihrer Umgebung beeinflusst. Forschenden bleibt als Herausforderung, einen Weg zu finden, diese zu schützen. In neuen Lichtleitern sieht die britische Arbeitsgruppe schon heute einen Schritt, um Quanteninformationen in Glasfasern durch das topologische Design zu schützen.
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