Unter dem Meer: Optische Repeater für Unterseekabel

Jul 20, 2023

Etwa einmal im Monat habe ich das Privileg, mich mit Chefredakteur Elliot Williams zusammenzusetzen, um den Hackaday-Podcast aufzunehmen. Es macht viel Spaß, ein paar Stunden zusammen damit zu verbringen, herumzuschnüffeln, und wir gehen ausnahmslos auf lächerliche Seiten ein, ohne eine Chance auf den endgültigen Schnitt zu haben, außer vielleicht als Futter für das Intro und Outro. Es ist eine Menge Arbeit, vor allem für Elliot, der die Rohaufnahmen bearbeiten muss, aber es macht auch viel Spaß.

Natürlich machen wir das Ganze virtuell, und wir haben ein kleines Ritual, das wir zu Beginn machen: das Klatschen. Wir klatschen abwechselnd dreimal in die Hände in unsere Mikrofone, wobei die Person am anderen Ende der Leitung synchron zum Schlussklatschen selbst klatscht. Dadurch erhält Elliot eine Vorstellung davon, wie groß die Verzögerung auf der Leitung ist, und kann so die beiden Aufnahmen synchronisieren. Da er in Deutschland und ich in Idaho ist, ist die Verzögerung ziemlich deutlich, mindestens ein oder zwei Sekunden.

Jedes Mal, wenn wir dieses Ritual durchführen, wundere ich mich über die ganze Ausrüstung, die es möglich macht, einschließlich der Glasfaserkabel, die unter dem Atlantischen Ozean verlaufen. Untersee-Kommunikationskabel verbinden die Welt und übertragen mehr als 99 % des transkontinentalen Internetverkehrs. Sie stecken voller faszinierender Technik, aber für mein Geld sind die optischen Inline-Repeater, die die Signale unterwegs verstärken, die interessantesten Teile, obwohl – oder vielleicht gerade weil – sie auf dem Meeresgrund versteckt sind.

Der größte Teil der langen Geschichte der transozeanischen Kommunikation wurde von einem Material dominiert: Kupfer. Von den ersten Telegrafenkabeln bis hin zu den Koaxialkabeln, die Tausende von gemultiplexten Telefon- und Fernsehsignalen übertragen, haben Kupferleiter fast das gesamte 20. Jahrhundert lang den Großteil der Arbeit geleistet. Das änderte sich 1988 mit der Verlegung des ersten transatlantischen Glasfaser-Telefonkabels, TAT-8. Mit einer Kapazität von 40.000 gleichzeitigen Telefongesprächen über nur zwei Singlemode-Glasfaserpaare (mit einem Reservepaar) übertraf TAT-8 die fortschrittlichsten koaxialen Transatlantikkabel um den Faktor zehn.

Wie Koaxialkabel erfordern optische Kabel eine regelmäßige Verstärkung des Signals, insbesondere auf der etwa 7.000 km langen Länge von TAT-8. Etwa alle 50 km entlang des Kabels befanden sich Repeater, die in langen, druckfesten Gehäusen untergebracht waren, die Wölbungen im schlanken Kabel erzeugten, aber dennoch mit der Kabelverlegeausrüstung kompatibel waren. Diese Repeater funktionierten, indem sie die geschwächten optischen Signale mit Fotodioden empfingen, das Signal demodulierten, bevor es durch Halbleiterverstärker geleitet wurde, und es mithilfe von Laserdioden wieder in Licht umwandelten. Der Strom für die Repeater wurde von Geräten in der Landestation an einen Kupferleiter innerhalb der optischen Kabelbaugruppe angelegt.

TAT-8 war ein fantastischer Erfolg, so dass bereits 18 Monate nach Inbetriebnahme die Nachfrage die Kapazität überstieg. Es wurde 2002 außer Betrieb genommen, auch weil in der Zwischenzeit optische Kabel mit deutlich höherer Kapazität verlegt wurden, wodurch TAT-8 überflüssig wurde. Es ging auch um die regenerativen Repeater; Da sie die Signale demodulieren und neu modulieren mussten, schränkte dies die Änderungen ein, die Bediener an der Kopfstationsausrüstung in den Haltestellen vornehmen konnten. Ohne die Möglichkeit, diese Ausrüstung aufzurüsten, war das Kabel dem Untergang geweiht.

Doch bereits 1985 wurden Fortschritte bei optischen Verstärkern gemacht, die schließlich ihren Weg in Unterseekabel fanden. Damals führte ein Physikstudent namens Robert Mears Experimente mit Erbium-dotierten Glasfasern durch und zeigte, dass diese als rein optische, rauscharme Verstärker in den Wellenlängen fungieren konnten, die typischerweise für die Kommunikation verwendet werden. Innerhalb von zehn Jahren nach der ersten Veröffentlichung zu diesem Thema gelangten Erbium-dotierte Faserverstärker (EDFAs) über das TAT-12/13-Kabel in den Atlantik.

Wie viele Geräte, die wir täglich verwenden und die wir eher als selbstverständlich betrachten, nutzen EDFAs die Prinzipien der Quantenphysik und sind dennoch überraschend einfach. EDFAs nutzen die Fluoreszenzeigenschaften von Oxiden des Seltenerdelements Erbium, um eine Verstärkung zu erreichen. Wenn dem Kern einer Quarzfaser eine kleine Menge Erbium(III)-oxid zugesetzt wird, können die Elektronen in den Erbiumionen aus ihrem Grundzustand (L1) angeregt werden, indem sie mit Laserlicht einer bestimmten Pumpwellenlänge beaufschlagt werden. Der Pumplaser kann entweder 980 nm haben, wodurch die Erbiumelektronen in den L3-Zustand angeregt werden, oder 1.480 nm, wodurch sie in den L2-Zustand angeregt werden. Praktische EDFAs verwenden in der Regel sowohl 980- als auch 1.480-nm-Pumplaser.

Durch die Anregung durch den Pumplaser kommt es in der mit Erbium dotierten Faser zu einer Besetzungsinversion, einem Zustand, in dem sich mehr Atome im angeregten Zustand als im Grundzustand befinden. Dadurch entsteht ein Medium, das zur Störung bereit ist, insbesondere durch den Durchgang eines Photons einer bestimmten Wellenlänge. Für die angeregten Erbiumionen sind das etwa 1.550 nm, was zufälligerweise die Wellenlänge der Infrarotlaser ist, die zum Senden von Signalen über ein optisches Kabel verwendet werden. Wenn Photonen mit einer Wellenlänge von 1.550 nm auf die angeregten Erbiumionen treffen, werden diese in ihren Grundzustand zurückgebracht und dabei ein Photon derselben Wellenlänge freigesetzt. Bei jeder Entspannung wird ein Photon freigesetzt, von dem jedes die gleiche Wellenlänge und Phase wie das einfallende Photon hat und sich in die gleiche Richtung bewegt, was zu einer massiven Verstärkung des eingehenden 1.550-nm-Signals führt.

Theoretisch sind EDFAs äußerst einfach aufgebaut – lediglich eine Schleife aus dotierter Faser mit einer Länge von 10 bis 20 Metern, eine Laserdiode zum Pumpen und die notwendigen optischen Komponenten, um die Verstärkungsschleife mit der eingehenden und ausgehenden Faser zu verbinden und beide miteinander zu multiplexen. Die einzige Elektronik, die benötigt wird, ist diejenige, die die Pumpdiode ansteuert, sowie alle Schaltkreise, die zur Überwachung des Zustands des Verstärkers und zur Fernsteuerung erforderlich sind.

Reale EDFAs sind etwas komplexer und verfügen in der Regel über eine Vielzahl anderer optischer Komponenten, wie z. B. Isolatoren an den Eingangs- und Ausgangsfasern, die verhindern, dass unerwünschte Reflexionen von der Ausgangsseite zurückdringen. Trotz dieser Ausarbeitungen sind EDFAs jedoch einfach genug, um als kompakte Module hergestellt zu werden, die in Rack-Gehäusen installiert werden können – zumindest für Verstärker für landgestützte Glasfaserkabel.

Bei der „Wet Plant“-Ausrüstung von Unterseekabeln, bei denen es sich, wie der Name schon sagt, um alles handelt, was unter dem Meer verläuft, ändert sich die Lage deutlich. Jeder Repeater muss nicht nur mehrere EDFAs – einen für jede Faser im Kabel – in ein Paket packen, das kompakt genug ist, um von der Kabelverlegeausrüstung gehandhabt zu werden, sondern er muss auch in der Lage sein, den Strapazen des Betriebs in einem der anspruchsvollsten Situationen standzuhalten feindliche Umgebungen auf dem Planeten. Und dann ist da noch die Frage, die Pumplaser und die Überwachungselektronik über große Entfernungen mit Strom zu versorgen, was an sich keine triviale Aufgabe ist. Wenn man dann noch eine Lebensdauer von 25 Jahren hinzurechnet – es ist zwar nicht unmöglich, einen defekten Repeater wiederherzustellen und zu reparieren, ist es aber weder billig noch bequem –, steckt in diesen Geräten eine Menge Ingenieursarbeit.

Abhängig von den Bedürfnissen des Kabeleigentümers und der Route, über die das Kabel verlegt werden soll, können Repeater möglicherweise bis zu 8.000 Meter unter der Oberfläche liegen. Der Druck in dieser Tiefe beträgt etwa 78 MPa oder über 11.000 psi, dem das Repeater-Gehäuse selbst und jede Verbindung und Dichtung zwischen dem Gehäuse und dem Kabel selbst standhalten müssen. Gehäuse bestehen im Allgemeinen entweder aus Titan oder einer Berylliumkupferlegierung wie C17200, die fast so fest und hart wie Stahl ist, aber eine ausgezeichnete Beständigkeit gegen die korrosive Wirkung von Meerwasser aufweist. Darüber hinaus verfügt es über eine hervorragende elektrische und thermische Leitfähigkeit, wobei letztere für die Ableitung der von den Pumplasern erzeugten überschüssigen Wärme äußerst wichtig ist.

U-Boot-Repeater beziehen ihren Strom über einen speziellen Kupfermantel, der um die Glasfasern in der Mitte des Kabels gewickelt ist, mit einem Rückweg durch das Meerwasser, das das Kabel umgibt. Stromverteilungsgeräte an der Kabellandestelle speisen hohe Gleichspannung in diesen Leiter ein, wobei jeder Repeater in Reihe geschaltet ist. Die Leistung ist beträchtlich, typischerweise im Bereich von 10 bis 15 Kilovolt und zwischen 1 und 2 Ampere. Der Spannungsabfall an jedem Repeater hängt von der Anzahl der Glasfaserpaare ab, die er bedient, liegt jedoch typischerweise zwischen 30 und 70 Volt.

Bei U-Boot-Repeatern ist Redundanz das A und O. Selbstverständlich sind einzelne Komponenten auf eine hohe Zuverlässigkeit hin ausgewählt. Aber irgendwann wird etwas schiefgehen, deshalb ist es wichtig, sofort ein Backup zur Verfügung zu haben. Am deutlichsten wird dies bei der Anordnung der Pumpdioden, bei denen es offensichtlich am wahrscheinlichsten zu Verschleiß kommt. Frühe U-Boot-EDFAs nutzten ein „2×2“-Redundanzschema, bei dem jedes Verstärkermodul, das ein Sende- und ein Empfangsfaserpaar bedient, über zwei Pumplaser verfügt, die sich eine gemeinsame Treiberschaltung teilen. Dies bot zumindest eine gewisse Unterstützung; Sollte ein Pumplaser ausfallen, könnten die Kabelbetreiber auf die Ersatzpumpe umsteigen. Ein besseres Schema ist die „4×2“-Redundanz, bei der sich jedes Verstärkerpaar vier Pumplaser teilt, die durch einen optischen Koppler miteinander verbunden sind. Da eine einzelne Pumpe sowohl die Sende- als auch die Empfangsfaser betreiben kann, kann ein Verstärker auch dann noch laufen, wenn drei der Pumpen ausfallen. Noch besser ist das „Pump Farming“, bei dem bis zu 16 Pumpen zur Verfügung stehen, um über ein komplexes Glasfaser-Switching-Netzwerk bis zu 16 Glasfaserpaare zu leiten. Pump Farming bietet ein hohes Maß an Redundanz sowie die Flexibilität, das Kabel im Handumdrehen neu zu konfigurieren.

Denn so allgegenwärtig EDFA-Verstärker auf Langstrecken-Unterseerouten geworden sind, tauchen sie nicht in jedem Kabel auf. Einige Kabelstrecken sind kurz genug, dass die Leitung komplett ohne Repeater auskommen kann, was sowohl für Eigentümer als auch für Betreiber offensichtliche Vorteile hinsichtlich der anfänglichen und laufenden Kosten mit sich bringt. Andere regionale Strecken, die für ein wirklich Repeater-freies Design etwas zu lang sind, können ROPA oder entfernte optisch gepumpte Verstärker nutzen. Diese sind im Wesentlichen mit EDFAs identisch, mit der Ausnahme, dass die Pumplaser als Teil der „Trockenanlagen“-Ausrüstung an den Kabellandungen installiert und über eine spezielle Glasfaser an die ROPA-Repeater übertragen werden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit eines Stromleiters im Kabel sowie der Stromverteilungsausrüstung, und die Repeater werden einfacher und kompakter.

Eine weitere Weiterentwicklung bei optischen Unterwasserverstärkern ist der Raman-Verstärker, der stimulierte Raman-Streuung zur Signalverstärkung nutzt. Eingehende Signalphotonen einer Frequenz kollidieren mit Pumpphotonen einer etwas höheren Frequenz in einem nichtlinearen optischen Medium, bei dem es sich entweder um eine separate Schleife einer optischen Faser oder um die signalführende Faser selbst handeln kann. Durch die inelastische Kollision wird ein Teil der Energie von den Pumpphotonen auf die Signalphotonen übertragen, was zu einer Verstärkung führt. Raman-Verstärker erfordern eine höhere Leistung für die Pumplaser – etwa 500 mW oder mehr optische Leistung –, aber der Vorteil besteht darin, dass die Verstärkung über die Länge der Übertragungsfaser verteilt werden kann, was dazu führt, dass weniger Repeater erforderlich sind. Raman-Verstärker für Unterwasseranwendungen sind relativ neu und nicht für alle Kabel anwendbar – sie können aufgrund des höheren Strombedarfs im Allgemeinen nicht für transpazifische Kabel verwendet werden –, sie halten jedoch Einzug in transatlantische und regionale Kabel.