Yunnan: 1 Gbit/s per 2-Watt-Laser aus 36.000 Kilometern – Vergleich mit Starlink

In den Bergen der Provinz Yunnan ist Forschenden ein Experiment gelungen, das die Satellitenkommunikation neu durchmischen könnte: Ein Orbiter in geostationärer Umlaufbahn übertrug Daten per Laser mit Gigabit-Tempo zur Erde – aus 36.000 Kilometern Distanz und mit einer Leistung, die eher an ein Nachtlicht als an ein typisches Hightech-Sendemodul erinnert.

Laserstrahl statt Funkwelle: Was in China passiert ist

Am Lijiang-Observatorium im Südwesten Chinas registrierte ein Team mit Forschenden der Peking University of Posts and Telecommunications sowie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften ein optisches Signal aus dem All. Der Absender war ein Satellit in geostationärer Umlaufbahn – also scheinbar fix über einem Punkt der Erdoberfläche positioniert, in rund 36.000 Kilometern Höhe.

Ungewöhnlich daran war nicht nur die Bahn, sondern vor allem die Übertragungstechnik: Statt klassischer Funkbänder setzte der Satellit auf einen 2-Watt-Laser. Obwohl die Strecke riesig und die Sendeleistung klein war, erreichten die Messungen eine Datenrate von 1 Gigabit pro Sekunde (1 Gbit/s). Gemäss Studie liegt das ungefähr fünfmal über typischen Starlink-Downlinkwerten – obwohl Starlink-Satelliten in deutlich niedrigeren Orbits unterwegs sind.

Ein HD-Film von Shanghai nach Los Angeles in weniger als fünf Sekunden – so übersetzt das Team seine Messwerte in ein anschauliches Bild.

Gerade dieser Vergleich macht die Demonstration so heikel: Starlink umkreist die Erde in wenigen hundert Kilometern Höhe. Der chinesische Orbiter sendete aus einer mehr als 60-mal grösseren Entfernung – und lieferte dennoch Bandbreiten in einer Grössenordnung, die man sonst eher von modernen Glasfaseranschlüssen kennt.

Der heimliche Endgegner: die Atmosphäre über Yunnan

Die grösste Hürde bei Laserkommunikation entsteht nicht im Vakuum, sondern auf den letzten Kilometern bis zum Boden. Sobald der Lichtstrahl in die dichteren Atmosphärenschichten eintaucht, verziehen Turbulenzen und Temperaturgradienten den Strahl. Das Resultat: Das Signal flackert, „zittert“, franst aus und verliert Schärfe.

In Lijiang wurde genau diese Zone zum Dreh- und Angelpunkt. Das Team behandelte die Atmosphäre nicht als Nebeneffekt, sondern konzipierte die Bodenanlage gezielt dafür, diese Störungen aktiv zu kontrollieren.

• Ort: Lijiang-Observatorium, Provinz Yunnan, Südwestchina
• Höhe des Satelliten: ca. 36.000 km (geostationär)
• Sendeleistung: 2 Watt Laser
• Erzielte Datenrate: 1 Gbit/s Downlink
• Vergleich: etwa fünfmal schneller als typische Starlink-Werte

Im Zentrum des Empfangssystems stand ein Teleskop mit 1,8 Metern Durchmesser, das den Laser einfing. Dahinter folgte eine anspruchsvolle Korrekturstufe mit 357 mikroskopisch kleinen Spiegeln. Jeder dieser Spiegel liess sich in Echtzeit verformen, um Verzerrungen der einfallenden Wellenfront zu kompensieren.

Wie China den Strahl am Boden „neu zusammensetzte“

Frühere Konzepte für Laserkommunikation setzten meist entweder auf adaptive Optik oder auf Modenvielfalt in der Empfangseinheit. Unter harschen Bedingungen mit starker Turbulenz reichte keiner der beiden Ansätze für sich allein. Das Team kombinierte darum beide Verfahren in einer zweistufigen Architektur.

Stufe 1: Adaptive Optik glättet den Laser

Zunächst glich ein adaptives Optiksystem jene Verformungen aus, die durch die Atmosphäre entstanden. Die 357 Mikrospiegel passten ihre Form bis zu hunderte Male pro Sekunde an und versuchten, die ursprüngliche Wellenfront so weit wie möglich zu rekonstruieren.

Anstatt auf einen „perfekten“ Strahl zu hoffen, ging das System davon aus, dass das Licht bereits beschädigt ankommt. Die Spiegel richten diese fragmentierte Welle so aus, dass daraus wieder eine relativ stabile Struktur wird, mit der die nachfolgenden Stufen arbeiten können.

Stufe 2: Acht Kanäle, drei Gewinner

Im zweiten Schritt führte die Bodenstation das korrigierte Licht durch einen Multi-Plane-Light-Converter. Damit wurde das Signal in acht Basis-Moden aufgeteilt – also in acht räumliche Lichtverteilungen, die als separate Kanäle verarbeitet wurden.

Danach selektierte die Elektronik die drei stärksten dieser acht Kanäle und kombinierte sie für die Datenrekonstruktion. So wurde aus dem eigentlich lästigen Aufsplittern ein Vorteil: Wenn ein Teilpfad schwächer wurde, konnten andere Moden die Übertragung abstützen.

Mit dieser AO-MDR-Synergie stieg der Anteil nutzbarer Signale von 72 auf 91,1 Prozent – ein deutlicher Sprung bei der Zuverlässigkeit.

Der Ansatz wird als AO-MDR-Synergie (Adaptive Optik – Mode Diversity Reception) bezeichnet. Der Kniff: Der Empfänger verlässt sich nicht mehr auf einen einzelnen „idealen“ Lichtweg, sondern nutzt mehrere tatsächlich vorhandene, physikalische Pfade flexibel aus.

Warum die grosse Höhe alles noch erstaunlicher macht

Geostationäre Satelliten gelten in der Branche oft als Dinosaurier: sehr stabil und verlässlich, aber weit weg – und mit spürbarer Signallaufzeit. Für eine Hin-und-zurück-Verbindung fallen rund eine Viertelsekunde an. Bei Telefonie oder Onlinespielen ist das merkbar, für Backbone-Transporte und Datenverschiebung hingegen meist weniger entscheidend.

Aus 36.000 Kilometern ergeben sich vor allem zwei grundlegende Nachteile:

• Hohe Dämpfung: Licht breitet sich kugelförmig aus; mit der Entfernung sinkt die Intensität stark.
• Langer optischer Weg: Winzige Störungen summieren sich über die gesamte Strecke, insbesondere beim Übergang in die Atmosphäre.

Genau deshalb wirkt ein Gigabit-Downlink mit nur 2 Watt wie ein Regelbruch. Klassisch wurde Distanz mit hoher Sendeleistung und grossen Antennen ausgeglichen. Diese Demonstration dreht das Prinzip um: Die Leistung bleibt niedrig, die „Intelligenz“ steckt im Empfänger.

Auffällig ist auch, wofür das gedacht ist: Die Anlage in Lijiang erinnert nicht an eine handliche Satellitenschüssel auf dem Balkon, sondern an ein schweres wissenschaftliches System. Das Experiment zielt erkennbar auf Backbone-Strecken und Relaisstationen, die grosse Datenmengen aus dem All übernehmen und danach über Glasfaser weiterverteilen.

Was das für Starlink & Co. bedeutet

Starlink und andere Konstellationen im niedrigen Orbit stützen sich weiterhin auf Funkverbindungen, vergleichsweise grosse Antennen und dichte Netze aus vielen Satelliten. Optische Verbindungen (Laserlinks) gelten dort als nächste Ausbaustufe – insbesondere für Links zwischen Satelliten, um Daten quer über den Globus zu routen.

Die Ergebnisse aus China unterstreichen, dass auch der Downlink aus sehr hohen Umlaufbahnen zur Erde per Laser funktionieren kann, sofern die Bodeninfrastruktur entsprechend aufgerüstet ist. Daraus lassen sich mehrere denkbare Entwicklungen ableiten:

• Weniger Satelliten nötig: Ein geostationärer Orbiter überdeckt sehr grosse Flächen, wodurch die Zahl der Plattformen sinken kann.
• Stabile Position: Die Bodenantenne muss nicht dauernd nachführen, weil der Satellit am Himmel „steht“.
• Optische Backbone-Knoten: Grosse Gateways könnten Datenströme aus verschiedenen Regionen bündeln.
• Konkurrenz für Funkbänder: Laser umgehen Engpässe im Funkspektrum und beeinträchtigen andere Dienste kaum.

Damit entsteht für klassische LEO-Konstellationen ein zusätzlicher Massstab: Sie punkten mit tiefer Latenz und breiter Verfügbarkeit. Geostationäre Laserlinks stellen dem eine hohe Kapazität und langfristige Stabilität gegenüber – getragen von wenigen, dafür sehr leistungsfähigen Bodenstationen.

Begriffe, die man bei diesem Experiment kennen sollte

Adaptive Optik: Eine aus der Astronomie bekannte Technik, bei der verformbare Spiegel Turbulenzen in der Atmosphäre ausgleichen. Dadurch gewinnen Teleskope deutlich an Schärfe. Dasselbe Prinzip lässt sich auf Kommunikationsstrahlen übertragen.

Mode Diversity Reception: Dabei wird der Lichtstrahl in mehrere räumliche Moden zerlegt. Jede Mode verhält sich wie ein eigener Übertragungskanal. Wenn ein Kanal ausfällt oder schwächer wird, können andere die Daten tragen. Das steigert Robustheit und Reichweite.

Geostationäre Umlaufbahn: Eine Umlaufbahn über dem Äquator, in der ein Satellit die Erde in 24 Stunden einmal umrundet – synchron zur Erdrotation. Von der Erde aus gesehen bleibt er scheinbar am selben Punkt am Himmel.

Wo solche Laserlinks künftig eine Rolle spielen könnten

Auf absehbare Zeit wird niemand eine 1,8-Meter-Optik auf ein Einfamilienhaus setzen. Die Technik ist vielmehr für spezialisierte Szenarien mit grossem Datenhunger ausgelegt:

• Übertragung von Messdaten grosser Erdbeobachtungssatelliten zu wenigen, sehr leistungsfähigen Bodenstationen
• Anbindung entlegener Regionen an nationale Glasfaser-Backbones über optische Relais
• Sichere Hochgeschwindigkeitsstrecken für Regierungs- und Militärkommunikation
• Backup-Routen für kritische Infrastrukturen, falls Unterseekabel gestört sind

Parallel dazu laufen international Versuche zur Miniaturisierung. Kleinere Teleskope, integrierte Optikchips und KI-gestützte Korrekturverfahren könnten langfristig kompaktere Terminals ermöglichen – etwa für Schiffe, Forschungsstationen oder grosse Unternehmensstandorte.

Ein Unsicherheitsfaktor bleibt das Wetter: Dicker Nebel, starke Bewölkung oder Starkregen können Laserlinks spürbar dämpfen oder vorübergehend ganz verhindern. Deshalb setzen viele Konzepte auf Hybridlösungen, bei denen Funk- und Laserkanäle je nach Situation parallel betrieben werden und sich gegenseitig absichern.

Im Kern zeigt der Versuch aus Yunnan vor allem eines: Wer die „letzten Kilometer“ durch die Luft konsequent optimiert, kann mit erstaunlich wenig Leistung beeindruckende Datenraten aus dem All herausholen. Das verschiebt die Messlatte für alle, die den Weltraum als Datenautobahn nutzen wollen – Starlink eingeschlossen.