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Besondere Anerkennung für AIT-Forscher Bernhard Schrenk © AIT/Mürling
Besondere Anerkennung für AIT-Forscher Bernhard Schrenk © AIT/Mürling

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AIT-Forscher Bernhard Schrenk erhält ERC Starting Grant

30.07.2018

Neuer, rein optischer Ansatz zur kohärenten Signaldetektion erhöht Datendurchsatz und macht künftige 5G-Netze leistungsfähiger | Die neue Technologie zur Signalerfassung soll auch in Sensornetzwerken für automatisiertes Fahren oder in der Quantenkommunikation zum Einsatz kommen.

Bernhard Schrenk, 36, 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 Millionen Euro dotierten ERC Starting Grants. Diese neue Methode zur Signaldetektion verspricht deutliche Fortschritte für viele Bereiche der optischen Signalübertragung und Signalverarbeitung.

Für Bernhard Schrenk bedeutet das fünfjährige Exzellenzstipendium des Europäischen Forschungsrates für Jungforscher in der Grundlagenforschung nun 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, 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 unvorstellbare 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 bahnbrechenden 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.

Zur Person:

Bernhard Schrenk, 36, ist seit fünf Jahren Scientist am Center for Digital Safety & Security am AIT Austrian Institute of Technology und beschäftigt sich mit der Photonik, Opto-Elektronik und Hochfrequenztechnik. Schon in seiner Masterarbeit hat er 2007 in der Gruppe von Professor Zeilinger an der Universität Wien an der Realisierung der ersten Netzwerkdemonstration eines Quantenschlüsselverteilsystems basierend auf verschränkten Photonen mitgewirkt.

Vor seiner Karriere beim AIT war er Senior an der National Technical University of Athens. Während seiner beruflichen Laufbahn wurde Schrenk schon mit mehreren Grants und Preisen wie dem Marie Curie CIG Grant oder dem Student Innovation Award der Europäischen Technologieplattform Photonics21 ausgezeichnet und unter anderem in das Board of Stakeholders von Photonics21 gewählt. Er hält gemeinsam mit Kollegen mehrere Patente. Seine Masterarbeit absolvierte er an der Technischen Universität Wien mit Auszeichnung. Sein Doktorat an der Universitat Politècnica de Catalunya in Barcelona meisterte er Cum Laude auf dem Gebiet der Signaltheorie und optischen Telekommunikation.

Über das AIT Austrian Institute of Technology

Das AIT Austrian Institute of Technology ist Österreichs größte außeruniversitäre Forschungseinrichtung und der Spezialist für die zentralen Infrastrukturthemen der Zukunft. Im Center for Digital Safety & Security 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-ExpertInnen 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. Weitere Informationen: https://www.ait.ac.at/quantum

Rückfragehinweis:
Michael H. Hlava 
Head of Corporate and Marketing Communications 
T +43 (0) 50550-4014, M +43 664 620 77 66 
michael.h.hlava@ait.ac.at | www.ait.ac.at
Michael Mürling 
Marketing and Communications 
Center for Digital Safety & Security 
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michael.muerling@ait.ac.at | www.ait.ac.at
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