3,2 Pb/s in Echtzeit: Was Chinas 24-Kern-Faserrekord zeigt – und was nicht

Ein chinesisches Konsortium meldet, 3,2 Petabit pro Sekunde durch eine einzige 24-Kern-Faser übertragen zu haben. Der Test lief in Echtzeit und bidirektional; das Team spricht von einem Weltrekord. Die Arbeit leitete das National Key Laboratory of Optical Communication Technology and Networks der China Information and Communication Technologies Group (CICT), gemeinsam mit dem Pengcheng Laboratory und dem Faserhersteller FiberHome Fujikura. Die Strecke bestand aus 10,3 km Multicore-Faser, die den Verkehr in beiden Richtungen gleichzeitig führte.

Die Schlagzeilenrate sagt weniger aus als drei Einschränkungen: Echtzeit, 10,3 km und bidirektional. Zusammen zeigen sie, was die Demonstration belegt und was sie offenlässt.

01Was gebaut wurde

Eine Multicore-Faser bringt mehrere lichtführende Kerne in einem gemeinsamen Mantel unter. In einem Interview der Global Times mit einem CICT-Forscher zum früheren 2,5-Pb/s-Ergebnis wurde herkömmliche Faser mit einer einzelnen Fahrspur verglichen, die 24-Kern-Faser mit 24 Spuren in einem Strang. Das Team legt diese räumliche Dimension über das Wellenlängenmultiplex. Es kombinierte das S-, C- und L-Band mit Raummultiplex (Space-Division Multiplexing, SDM), was Tausende paralleler Kanäle ergibt.

Das Team nannte einige Zeilenraten. Die eigenen optischen Module liefen mit 400 Gb/s pro Wellenlänge im S-Band und mit 1,2 Tb/s pro Wellenlänge im C- und L-Band. Berichten zufolge kam eine höherstufige Modulation mit probabilistischem Shaping zum Einsatz. Probabilistisches Shaping passt an, wie oft jeder Konstellationspunkt verwendet wird, sodass die Strecke nahe an der Kapazität heranreicht, die das Signal-Rausch-Verhältnis des jeweiligen Kanals zulässt. Das S-Band erhält eine niedrigere Rate, was zu den dort generell schwierigeren Verstärkungs- und Dämpfungsbedingungen passt. Den vollständigen Kanalplan, die Verstärkertypen und die Leistungsbudgets pro Kern habe ich in den öffentlichen Unterlagen nicht gefunden.

Der eigene Vergleich des Teams bezieht sich auf gewöhnliche Einkern-Faser nach G.652. Demnach entsprechen 3,2 Pb/s dem 32-Fachen der Kapazität solcher Systeme, die im C- und L-Band typischerweise etwa 100 Tb/s erreichen. Die Rechnung geht auf: 32 × 100 Tb/s sind 3,2 Pb/s. Teilt man 3,2 Pb/s durch 24 Kerne, ergeben sich rund 133 Tb/s pro Kern. Das ist meine eigene Rechnung, und sie zählt vermutlich beide Richtungen mit. Der Wert liegt etwas über dem reinen C+L-Wert eines Einkern-Systems, was zum zusätzlichen S-Band-Spektrum passt.

02Warum „Echtzeit" das entscheidende Wort ist

Viele rekordverdächtige Übertragungsexperimente erfassen Signalverläufe und verarbeiten sie offline. Die Forscher zeichnen das empfangene Signal auf und wenden danach auf Laborgeräten aufwendige digitale Signalverarbeitung an. Die Offline-Verarbeitung erlaubt Algorithmen, die kein kommerzielles Modul innerhalb seiner Leistungs- und Latenzgrenzen ausführen könnte; solche Ergebnisse zeigen daher, was physikalisch möglich ist. Dieses Ergebnis dagegen nutzte kommerziell taugliche Hardwarearchitekturen in Echtzeit.

Echtzeitbetrieb bedeutet, dass Folgendes in Silizium der Modulklasse abläuft:

• Kohärente Detektion und Entzerrung von chromatischer Dispersion und Polarisationseffekten
• Trägerrückgewinnung
• Dekodierung der Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC)
• Demapping beim probabilistischen Shaping

All das läuft kontinuierlich, innerhalb eines thermischen Budgets, das ein steckbares Modul oder eine Line-Card verträgt. Die Obergrenze liegt meist unter den Offline-Werten, und diese Lücke ist hier sichtbar. Laborergebnisse mit ähnlicher 24-Kern-Faser haben laut Tom's Hardware bis zu 5,29 Pb/s erreicht; eine zugrunde liegende Veröffentlichung nennt das Medium nicht. Weiter gefasst liegen Offline-Experimente mit anderen Fasertypen deutlich höher. NICT und Partner meldeten 2023 22,9 Pb/s aus einer Faser mit 38 Kernen und 3 Moden. Dabei kam ein MIMO-Empfänger zum Einsatz, eine andere Architektur als eine schlichte Mehrspur-Strecke.

03Die harten Teile: Übersprechen und unterschiedliche Bänder

Die Berichte nennen zwei Haupthindernisse. Das eine ist das Übersprechen zwischen den Kernen. Das andere ist, die unterschiedlichen Anforderungen von S-, C- und L-Band zu erfüllen.

Übersprechen ist das Überkoppeln von Licht zwischen benachbarten Kernen. Es wächst mit der Kerndichte und mit der Wellenlänge, weil längere Wellenlängen weniger straff geführt werden. Ein 24-Kern-Layout ist ein Kompromiss zwischen dichter Packung der Kerne und ihrer Isolation. Ist die Überkopplung gering genug, lässt sich jeder Kern als unabhängiger Kanal behandeln und mit standardmäßigem kohärentem DSP dekodieren. Das erspart die Komplexität einer gemeinsamen Mehrkanal-Entzerrung, die sich in Echtzeit schwer umsetzen lässt. Die Asia-Pacific Fiber Optic Cable Industry Association hat gerade den nach eigener Aussage ersten internationalen Standard für schwach gekoppelte Singlemode-Multicore-Fasern veröffentlicht. Den Standard habe ich nicht gesehen, doch der Begriff „schwach gekoppelt" deutet auf dieses Design mit unabhängigen Kanälen hin. Berichten zufolge setzte das Team Modulationstechniken ein, um die Interferenz zwischen den Kernen zu begrenzen, sagt aber nicht, wie.

Die drei Bänder sind das zweite Problem. Faserdämpfung, nichtlineares Verhalten und Verstärkungsgewinn unterscheiden sich zwischen ihnen. Die S-Band-Verstärkung ist weniger ausgereift als die erbiumbasierte Verstärkung im C- und L-Band. Die Transceiver müssen auf jedes Band abgestimmt werden, was zur niedrigeren S-Band-Rate von 400 Gb/s pro Wellenlänge passt. Die Multicore-Faser bringt eine zusätzliche Last mit sich: Verstärker und Messgeräte müssen 24 Kerne gleichzeitig bedienen.

04Reichweite, Prüfung und mögliche Einsatzfelder

Die Rekordstrecke ist kurz. Mit 10,3 km verrät die Distanz viel darüber, wo die Technik zuerst landen würde. Diese Reichweite passt zu Campus- und Rechenzentrumsverbindungen, wo Faser teuer zu verlegen ist, der Platz in den Leerrohren knapp ist und die aggregierte Bandbreite wichtiger ist als die Reichweite. Ein Backbone oder eine Seekabelstrecke ist ein deutlich schwierigerer Fall. Weitverkehr erfordert Zwischenverstärkung für jeden Kern, und Seekabel sind durch die Energieversorgung begrenzt. Seekabel sind praktisch auf etwa 24 Faserpaare beschränkt, weil die Verstärker von Land aus mit Strom versorgt werden. Multicore-Faser ist ein Weg um diese Grenze herum, doch dieses Experiment sagt nichts über verstärkte Spans. Zum Vergleich: NICT übertrug im vergangenen Jahr laut Hardware Busters 1,02 Pb/s über 1.808 km 19-Kern-Faser. Das ist eine weit größere Reichweite bei einem Drittel der Rate.

Mehrere Vorbehalte gelten:

• Das Peer-Review steht aus. Ich habe weder eine technische Primärveröffentlichung noch eine Mitteilung mit den vollständigen Versuchsdetails gefunden. Die direktesten Quellen sind chinesischsprachige Berichterstattung, Sekundärberichte und ein früheres Konferenz-Abstract. Berichten zufolge wurden die Ergebnisse als Beitrag für das Journal of Lightwave Technology eingeladen; dort wird die unabhängige Prüfung stattfinden.
• Der „Rekord" ist eng gefasst. Er gilt für Echtzeitübertragung über 24-Kern-Faser, nicht für die Faserkapazität im Allgemeinen.
• Der zeitliche Ablauf ist unklar. Berichten zufolge lag die frühere Marke bei 2,5 Pb/s Anfang dieses Jahres. CICT gab im März die bidirektionale Echtzeitübertragung von 2,5 Pb/s über 24-Kern-Faser bekannt. Der Sprung beträgt etwa 28 %, da 3,2 geteilt durch 2,5 den Wert 1,28 ergibt. Einige Medien beschreiben ihn als Zuwachs „innerhalb eines Jahres"; tatsächlich lagen wohl nur wenige Monate dazwischen.
• Die Verbraucher-Vergleiche sind reine Arithmetik. Die Angaben von 20.000 4K-Filmen pro Sekunde und 3,2 Millionen Gigabit-Haushalten geben lediglich die Rate wieder. Über die Einsetzbarkeit sagen sie nichts.
• Die Kosten des Einsatzes bleiben unbeantwortet. Die Berichte nennen keine Zahlen zu Steckverbindern, Spleißen, Verstärkerkosten oder zur Fertigungsausbeute der Kabel. Auch Angaben zur Leistungsaufnahme pro Bit fehlen.

Das Ergebnis ist am besten als Beleg zu lesen, dass Multicore-SDM und S+C+L-Übertragung auf Echtzeit-Hardware der Modulklasse im Petabit-Bereich über kurze Distanzen laufen können. Es zeigt nicht, dass diese Strecken wirtschaftlich gegenüber der einfachen Alternative sind, zusätzliche Einkern-Fasern in Betrieb zu nehmen. Als nächste Belege sind das Paper in Lightwave Technology, ein Feldversuch in verlegten Leerrohren und verstärkte, längere Spans zu erwarten. Im Feld verlegte Faser sieht sich Alterung, Spleißverlusten, Vibrationen, Temperaturschwankungen und Grenzen der optischen Leistung gegenüber, die eine Laborstrecke umgeht.