Laser könnten Kommunikation im All bestimmen

Mikrowellen als Informationsträger im Weltraum haben mehrere Nachteile. Wegen ihrer großen Wellenlänge können die Kommunikationsmodule nicht beliebig verkleinert werden; außerdem bildet die Wellenlänge eine Grenze in der Übertragungsrate. Für diese Probleme könnten optische Kommunikationsmodule mit Laserlicht die Lösung sein. Sie arbeiten mit Wellenlängen um 1000 Nanometer, können dadurch deutlich kleiner gebaut werden und lassen höhere Datenübertragungsraten zu. Die Strahlen eines Lasers lassen sich außerdem so eng bündeln, dass Reflektionen und Störungen kein Problem mehr darstellen. Die optische Kommunikationstechnik im Weltraum steckt jedoch noch in den Kinderschuhen, erst wenige Initiativen gab es weltweit für den Bau solcher Module. Eine davon hat nun am Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) in Berlin ein Laser-Bauelement hervorgebracht.

Das Funktionsprinzip ist einfach: Ein Sender erzeugt einen Laserstrahl von genau definierter Wellenlänge und schickt ihn zielgerichtet in den Weltraum. Der Empfänger mischt diesen Strahl mit einem zweiten Strahl, dem lokalen Oszillator. Verändert man den gesendeten Strahl in kleinen Details, lassen sich diese von der Referenz im Empfänger präzise unterscheiden. Das Differenzsignal kann anschließend in einem komplexen Prozess analysiert werden. „Es wurde bereits gezeigt, dass man auf diese Art und Weise mehr als 32 verschiedene Signalstellungen codieren kann“, so Stefan Spießberger vom FBH. Damit sei eine sehr schnelle Datenübertragung möglich. Des Weiteren könnten dadurch Signale mit sehr geringer Leistung nachgewiesen und ausgewertet werden.

In der Praxis hat beispielsweise die Firma Tesat-Spacecom, die nachrichtentechnische Nutzlasten für internationale Satellitenhersteller entwickelt, produziert und testet, bislang Festkörperlaser-basierte Module im Weltraumeinsatz. Das deutsche Technologieunternehmen konnte damit zeigen, dass die optische Kommunikation auch im All funktioniert. Der bisher verwendete, vergleichsweise großformatige Festkörperlaser wird von halbleiterbasierten Lasermodulen optisch gepumpt. Durch diesen Aufbau ist die Gesamtkonstruktion größer, unhandlicher und ineffizienter als das neue, rein halbleiterbasierte, kompakte Lasermodul des FBH.

Einem Team des Instituts ist es gelungen, das Modul so zu gestalten, dass es sowohl eine hohe Ausgangsleistung als auch eine geringe Linienbreite aufweist. „Wir konnten die Linienbreite auf circa 0,4 Femtometer drücken, das ist enorm wenig bei der Ausgangsleistung des Moduls von einem Watt“, so Spießberger. Die Wellenlänge lässt sich im Gegensatz zum Festkörperlaser über einen weiten Bereich frei wählen. So könnte die ideale Wellenlänge für die Kommunikation ermittelt und das Modul entsprechend angepasst werden. Für die Tests ist der Halbleiterlaser jedoch auf die bereits durch Tesat-Spacecom genutzten 1064 Nanometer eingestellt worden.

Bis die optische Datenübertragung die Mikrowellentechnik in den Satelliten verdrängt hat, ist es jedoch noch ein weiter Weg. Zum einen halten die Satellitenbetreiber gerne an etablierten Technologien fest, solange es geht. Zum anderen müsste das Halbleiterlaser-Bauelement des FBH noch für den Weltraumeinsatz qualifiziert werden. Dazu gehören entsprechende Vibrations- und Temperaturtests sowie eine hermetisch versiegelte Hülle. „Das Besondere an dem Prototyp ist aber, dass wir bewiesen haben, dass halbleiterbasierte Lasermodule die Anforderungen der kohärenten optischen Datenübertragung im Weltraum erfüllen“, resümiert Spießberger. Er ist sich sicher: In 15 Jahren kommen die Betreiber der Satelliten an der optischen Datenübertragung nicht mehr vorbei.

FBH / PH