AIT-Forscher Bernhard Schrenk erhält ERC Starting Grant

1,5 Mio. Euro für schnellere optische Netze

Bild: AIT - Mürling
Der renommierte ERC Starting Grant ist eine besondere Anerkennung für AIT-Forscher Bernhard Schrenks langjähriger Forschung, die zur absoluten Spitze in Europa zählt.
Bild: AIT - Mürling

Ein neuer, rein optischer Ansatz zur kohärenten Signaldetektion könnte künftige 5G-Netze leistungsfähiger machen. Die neue Technologie zur Signalerfassung soll auch in Sensornetzwerken für automatisiertes Fahren oder in der Quantenkommunikation zum Einsatz kommen.

von: Rudolf Felser

Bernhard Schrenk, seit fünf Jahren Scientist am Center for Digital Safety & Security am AIT Austrian Institute of Technology, erhält für die Erforschung einer neuen Methode, mit der sich unabhängige optische Signale präzise aufeinander abstimmen lassen, um stets auf derselben Wellenlänge und kohärent zu sein, einen der renommierten, mit rund 1,5 Mio. Euro dotierten ERC Starting Grants. Diese neue Methode zur Signaldetektion verspricht deutliche Fortschritte für viele Bereiche der optischen Signalübertragung und Signalverarbeitung.

Schon in seiner Masterarbeit hat Schenk 2007 in der Gruppe von Professor Zeilinger an der Universität Wien an der Realisierung der ersten Netzwerkdemonstration eines Quantenschlüsselverteilsystems basierend auf verschränkten Photonen mitgewirkt. Für ihne bedeutet das fünfjährige Exzellenzstipendium des Europäischen Forschungsrates für Jungforscher in der Grundlagenforschung, welches er nun erhalten hat, eine wichtige Komponente, um sein Team in der AIT Competence Unit Security & Communication Technologies auszubauen und wichtige Impulse zur Weiterentwicklung von Basistechnologien im Bereich der Telekommunikation und Informationsverarbeitung zu setzen.

Der renommierte ERC Starting Grant ist eine besondere Anerkennung für Schrenks langjähriger Forschung, die zur absoluten Spitze in Europa zählt. Für seine Forschungsstätte, das AIT Austrian Institute of Technology, Österreichs größte außeruniversitäre Forschungseinrichtung, ist dieser europäische Förderpreis als anwendungsorientierte Research und Technology Organisation eine besondere Auszeichnung. Bernhard Schrenk beschäftigt sich am AIT Center for Digital Safety & Security schon seit 2013 mit der Photonik: unter anderen mit Themen zur optischen Telekommunikation, integrierten opto-elektronischen Schaltungen, Quantentechnologie und Sensorik.

Kohärente Detektion: Vom Funk zur Photonik

Kohärente Detektion, die für die optische Signalerfassung angedacht ist, ist etwa in der Funktechnologie längst etabliert. Jedes Ultrakurzwellen-Radio bedient sich zur Selektion des zu empfangenden Senders dieser Detektionsmethode, bei der ein entfernt erzeugtes Signal und ein lokales Referenzsignal sich auf exakt derselben Wellenlänge befinden. Dies erlaubt nicht nur die filterlose Selektion eines von mehreren gleichzeitig übertragenen Signalen, sondern bringt auch eine zumindest um den Faktor 100 höhere Empfangsempfindlichkeit und Zugang zu zusätzlichen Signaleigenschaften mit sich. "In der Photonik ist das Verfahren der kohärenten Signaldetektion aber eine sehr komplexe Angelegenheit", so Schrenk. Er geht in seiner Forschung nun der Frage nach, inwieweit sich ebenfalls unabhängige optische Signale präzise aufeinander abstimmen lassen. Um diese Herausforderung zu meistern, erhielt er das fünfjährige ERC-Exzellenzstipendium COYOTE – "Coherent Optics Everywhere: a New Dawn for Photonic Networks".

Weit effizienter

Die Nutzung von Licht als Informationsträger für elektrische Signale ermöglicht eine um den Faktor 10.000 höhere Frequenz der optischen Trägerwelle. Dadurch kann jede Sekunde die riesige Menge von bis zu 10 Petabit an Daten über eine einzelne Glasfaser übertragen werden. Das funktioniert allerdings nur mittels kohärenter Signaldetektion. Diese zu erreichen, bedeutet in der Photonik eine enorme Komplexität. Trotz der flächendeckenden Präsenz photonischer Netze, die unscheinbar rund 90 Prozent der Daten über Distanzen von bis zu 10.000 km transportieren, bedienen sich viele der eingesetzten Systeme daher der direkten Signaldetektion. "Diese erfasst aber lediglich die Intensität des Lichtsignals und ist blind für andere Eigenschaften wie die Phase oder Polarisation. Die direkte Signaldetektion stellt somit eine Barriere für die Energie- und Kosteneffizienz der Telekommunikationsinfrastruktur und Datenzentren dar", erklärt Schrenk.

Mit seinem rein optischen Ansatz, der die Schwächen elektronischer Methoden vermeidet, können nun Signale direkt auf optischer Ebene synchronisiert werden. Selbst bei extrem hohen Trägerfrequenzen im Bereich um die 190 Terahertz kommt es zu keinen Frequenzabweichungen. Da die Informationsübertragung trotz kohärenter Transmission ohne zusätzlicher Korrekturen auskommt, ist keine energiehungrige digitale Signalverarbeitung erforderlich, die noch dazu einiges an Bandbreite benötigen würde. Das erhöht die Energieeffizienz deutlich. Ein weiterer Vorteil gegenüber der direkten Signalübertragung ist, dass nebst der Lichtintensität die Dimensionen der Phase und Polarisation analysiert werden können, um so die Skalierbarkeit in Bezug auf die Datenrate zu gewährleisten. So kann auch das optische Spektrum bestmöglich genutzt werden.

Gleichzeitig Senden und Empfangen

Schrenk geht aber noch einen Schritt weiter in Richtung einer photonischen Kommunikationstechnologie, die nicht an eine bestimmte Transmissionsrichtung gebunden ist. Sie kann also simultan senden und empfangen. "Das ist ähnlich, als würde man mit dem Mund auch gleichzeitig hören können – sogar besser als mit dem Ohr", erklärt Schrenk.

Diese Innovationen helfen nicht nur in klassischen leitungsgebundenen und drahtlosen Telekommunikationsnetzen. Auch Cloud-Datenzentren und High-Performance Computing profitieren von der einmaligen Gelegenheit, kohärente Detektion in einfachster und dennoch effizienter Weise zu realisieren. Die innovative kohärente Umsetzung von Signalen zwischen elektrischer und optischer Ebene bei gleichzeitiger Bewahrung der Signalintegrität ohne weitere digitale Verarbeitung ist ebenso für Anwendungen im Bereich der faseroptischen Sensorik von Bedeutung, wie etwa im Bereich der Verkehrsinfrastruktur. Sie kann aber beispielsweise genauso zur informationstheoretisch sicheren Erzeugung von Schlüsseln in der Quantenkommunikation dienen.

Mit einem frühen Proof-of-Concept Experiment im Forschungsbereich des ERC Grants konnte Bernhard Schrenk schon bereits Anfang dieses Jahres große Anerkennung erzielen. Es gelang ihm die weltweit erste Demonstration einer einfachen Laser-Lichtquelle, die einen Datenstrom von 10 Gb/s gleichzeitig emittieren und empfangen kann. Bei der OFC Conference (Optical Fiber Communication Conference and Exposition) in San Diego mit mehr als 15.000 Teilnehmern landete das Experiment als bester Beitrag zu opto-elektronischen Systemen für optische Telekommunikation unter den Top 3 der insgesamt 800 wissenschaftlichen Beiträge.

Die Quanten und das AIT 

Im Center for Digital Safety & Security des AIT Austrian Institute of Technology werden moderne Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) und Systeme entwickelt, um kritische Infrastrukturen im Kontext der umfassenden und globalen Vernetzung und Digitalisierung sicher und zuverlässig zu gestalten.

Die AIT-Experten im Bereich optische Quantentechnologien widmen sich der Entwicklung und Integration von Systemen zur Quantenverschlüsselung sowie der Produktentwicklung auf Basis von quantentechnologisch inspirierten Technologien. Die Lösungen bieten eine wichtige Grundlage für Forschung und Entwicklung in der Quantenoptik und anderen angewandten Forschungsfeldern wie etwa den Life Sciences. Mit diesem Kernthema will AIT die Quantentechnologie aus dem Labor zum Kunden bringen.

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