fran venstre; Michael Galili og Leif Katsuo Oxenløwe. Hans Christian Hansen Mulvad ses i den lille boks i midten.

Transkript

1 fran venstre; Michael Galili og Leif Katsuo Oxenløwe. Hans Christian Hansen Mulvad ses i den lille boks i midten.

2 Kapitel 10 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde At bryde terabit/s muren - om ultrahurtig optisk kommunikation af Leif Katsuo Oxenløwe, Michael Galili og Hans Christian Hansen Mulvad Opfindelsen af laseren er en af de absolut største bedrifter i det 20 ende århundrede. Laseren har nemlig vist sig at være umådelig interessant ikke alene i Star Wars og i forskningsverdenen, men også i mange sammenhænge i vores hverdag. Laseren er nemlig et fantastisk godt eksempel på hvordan det at forstå fundamentale aspekter af naturen kan udnyttes til at skabe et værktøj med umådeligt mange anvendelser. Således anvendes lasere i dag i f.eks. CD/DVD afspillere, stregkode-skannere, til laser svejsning, operationer, underholdning, undervisning, på byggepladser som rette-snore og mange andre steder, såvel som i forskningslaboratorier til at køle atomer, til at bremse lys, til spektroskopi, til biologisk analyse og meget andet. Ved at forstå lysets natur, og derefter tøjle det, har man skabt et storslået redskab. Det undrer ikke, at laseren siden sin opfindelse i 1960 har givet anledning til ikke mindre end 13 nobelpriser (senest i 2005) til fysikere, der arbejder med em-ner relateret direkte til laseren. Den vigtigste anvendelse af laseren er dog nok optisk kommunikation.

3 10 Gbit/s 80Gbit/s Data bliver for hurtig - elektronikken kan ikke følge med

4 160 Gbit/s

5 Kapitel 10 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde Efter laseren blev introduceret som middel til at kommunikere med, er verden blevet dramatisk og grundlæggende ændret. Internettet har fuldstændig vendt op og ned på den måde, vi kommunikerer på, den måde vi arbejder på, den måde vi leger, og den måde vi søger informationer på. På Internettet kan man nu med et enkelt klik hente enorme mængder af information, der med lysets hastighed finder vej til ens computer. Vores nuværende såkaldte informationsalder ville ikke have været mulig uden laseren. Siden Internettet blev introduceret til private brugere i midten af 1990 erne er det vokset og vokset, selv efter det store krak omkring årtusindskiftet. Post-boble tiden er stadig karakteriseret ved en kraftig vækst af Internettrafikken på ca. 60% per år de senere år se Figur Det er stadigvæk et dramatisk stigende marked, hvilket virkelig viser, at der vil være brug for nye, hurtigere og bedre teknologier og tjenester i fremtiden. at ringe via Internettet til venner på den anden side af Jorden for 10 år siden ville det være svært at holde forbindelsen vedlige. Specialistkirurger kan operere patienter på tværs af Atlanten, og man kan lade computere over hele Verden samarbejde i et netværk til at bearbejde data indsamlet fra teleskoper, der søger efter liv i Universet. Man kan se film og spille spil med folk på andre kontinenter, og der kommer hele tiden flere og sjovere anvendelser til. Der er blevet meget kort mellem opfindelser i et laboratorium til deres implementering i virkeligheden, og på denne måde indvirker forskernes teknologiske opfindelser i dag direkte på udviklingen af verdensbilledet. Der er altså et stadigt voksende behov for mere kapacitet på Internettet og mere båndbredde til den enkelte bruger. I dette kapitel ser vi på, hvordan man kan øge kapaciteten ved at øge informationsraten. I takt med at kapaciteten øges, kommer der stadigt nye anvendelser af den tilgængelige kapacitet, og de vil til stadighed ændre vores omgang med hinanden og vores verdensbillede. Nu koster det næsten intet vækst [%] kapacitet trafik år kilde: telegeography On-line spil Fil deling High Definition TV Interaktivt TV Intranet Internet TV IP telefoni Mobile-to-fiber-to-mobile TV/Audio juke box der er mere på vej... Figur Vækst af kapacitet og Internettrafik år , og eksempler på hvad der driver væksten. 174

6 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde Kapitel 10 Figur Kloden er omspundet med optiske fibre, som muliggør Internettets enorme datatrafik. forsker i alle dele af optisk kommunikation, f.eks. med nanoteknologi til særlige løsninger og med generering af ultrakorte laserpulser. Optisk kommunikations begyndelse Lad os først se på, hvordan det hele begyndte. Laseren blev som nævnt opfundet i 1960, men den første laser var ikke så anvendelig til kommunikation. Men i 1970 kom der to banebrydende gennembrud: På Bell Laboratories i New Jersey, USA, blev det demonstreret, at en halvlederlaser kunne virke ved stuetemperatur, og på Corning Laboratories i New York, USA, vistes det, at det var muligt at sende lys igennem en optisk fiber med et tab lavere (17 db/km) end i elektriske kabler. At bruge halvlederlasere var helt afgørende, da disse er meget kompakte og stabile og kan laves til at sende lys ved præcis de farver man ønsker. At få et lavere tab i en fiber end i et elektrisk kabel var ligeså afgørende, da man således ville kunne transmittere signalerne længere med en fiber. Fibre i dag har tab på 0.2 db/km, så nu kan man transmittere meget længere end i elektriske kabler. Mange mener derfor, at den optiske kommunikation blev født i Siden da er meget optimeret, og i 1988 blev det første transatlantiske optiske fiber kabel (TAT-8 Trans-Atlantic Telephone cable nummer 8 (de foregående 7 var alle elektriske kabler)) åbnet. Sci-fi forfatter Isaac Asimov (f.eks. I, Robot ) åbnede forbindelsen med den første telefonsamtale, og sagde: Welcome everyone to this historic trans-atlantic crossing, this maiden voyage across the sea on a beam of light our world has grown small, and this cable, which can carry calls at one time is a sign of the voracious demand for communications today. Det var forventet at TAT-8 først ville være fuldt optaget ved årtusindskiftet, men allerede to år efter indvielsen i 1990, var den fuld. Denne eksplosive vækst af telekommunikationstrafikken fra 1988 til 1990, varslede indgangen til en ny æra, nemlig Informationsalderen. Siden fulgte hurtigt en række nye fiberforbindelser, og i 2006 åbnedes den hidtil hurtigste forbindelse over Atlanten, Hibernia- Atlantic. Den har en samlet maksimumkapacitet på 2 Tbit/s, hvilket svarer til ca. halvdelen af den samlede internettrafik verden over i Men fibrene er ikke kun over Atlanten. De forbinder alle 175

7 Kapitel 10 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde kontinenter, lande, byer, og i højere og højere grad også privatboliger. Jordkloden er faktisk vævet ind i et komplekst net af optiske fibre et net som retfærdiggør udtrykket world wide web. Den optiske fiber og laseren Udover det lave tab i optiske fibre er det også attraktivt, at fiberen kan bære en kæmpe mængde data igen i modsætning til elektriske kabler. Faktisk kan al internettrafikken i dag være på én fiber. Det estimeres teoretisk, at ca. 20 Tbit/s kan klemmes ind på én fiber den seneste eksperimentelle rekord er 14 Tbit/s, så forskerne arbejder virkelig tæt på grænsen. På en fiber kan man nemlig lægge flere signaler samtidig, bare de ikke har samme bølgelængde (farve). Dette kan aldrig lade sig gøre med elektriske kabler, hvor de elektriske signaler straks ville interferere med hinanden og ødelægge datainformationen. For en fiber er transmissionslængden uafhængig af bitraten, mens det for et elektrisk kabel gælder at tabet stiger med højere rate. Således kan man kun transmittere ca. 1 km elektrisk ved 100 Mbit/s, mens 100 km er problemfrit i en fiber, uafhængigt af bitraten. For at udnytte fiberens gode transmissionsegenskaber fuldt ud er det nødvendigt at bruge laserlys og ikke bare almindeligt lys som f.eks. fra en skrivebordslampe. Ordet laser er et akronym for Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation og lyder som sådan mere som en forstærker af lys. Men forstærkningen af lyset er kun den ene del af laserprincippet. Den anden del er feedback. Kort kan man sige, at en laser er LASER = forstærkning + feedback Forstærkningen kommer som navnet antyder fra såkaldt stimuleret emission. Stimuleret emission er én af tre fundamentale processer, hvorved lys vekselvirker med atomer. (se kapitel 2). Der findes mange forskellige lasertyper, men de fleste, der bruges til optisk kommunikation, er halv-lederlasere. Disse får deres energi fra en elektrisk strøm, ligesom en lysdiode i en cykellygte. En negativ elektron og et positivt hul mødes og annihileres i et lysglimt. Man kan således kontrollere lysudsendelsen ved at styre den tilførte strøm. Denne kontrol er netop hjørnestenen i optisk kommunikation. Optisk kommunikationssystem I et optisk kommunikationssystem bærer laserlyset informationen. Laseren kan direkte moduleres med et elektrisk datasignal evt. kommende fra en computer og således elektro-optisk konvertere informationen til det optiske domæne. Det kan dog være en fordel at lade laseren lyse kontinuert og modulere lyset separat i en elektro-optisk modulator. Informationen er oftest digital, dvs. repræsenteret som ettaller og nuller. I det optiske domæne svarer det til henholdsvis en optisk puls og udeblivelsen af en optisk puls, dvs. en undertrykt puls. Disse optiske bits kan nu sendes igennem en optisk fiber til en destination, hvor en fotodetektor absorberer lyset og omsætter det til en strøm igen. Tilbage i det elektriske domæne kan informationen evt. sendes til en anden computer til videre databehandling. Bitsene er ordnet i små tidslommer kaldet time slots, hvor hvert timeslot har plads til én puls. Er der en puls, svarer det til et ettal og er der ikke en puls, svarer det til et nul. For at tolke bitsene rigtigt er det nødvendigt at vide præcis, hvornår de ankommer, dvs. at modtageren skal være synkroniseret til det indkommende datasignal en sådan synkroniseringsfunktionalitet kaldes for clock recovery. Når modtageren er synkroniseret til datasignalet ved den altså, hvornår den skal se efter, om der er pulser eller ej. Synkroniseringssignalet fra clock recovery enheden sættes sammen med fotodetektor signalet, således at en data processor 176

8 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde Kapitel 10 FAKTABOKS 1 Lys ledes ved total intern refleksion (n 1 >n 2 ) kerne, n 1 kappe, n 2 isolering Den optiske fiber En optisk fiber består af en meget tynd glastråd, kaldet kernen omgivet af en glas kappe. Kernens diameter er ca. 8 μm Man benytter lidt forskellige typer glas i kerne og kappe. Kappen er typisk lavet af ren silica (SiO 2 ), mens kernen er lavet af en blanding af silica og en lille smule Germanium (SiO 2 + GeO 2). På denne måde får fiberens kerne et lidt højere brydningsindeks end kappens (n 1 > n 2 ). I en typisk optisk fiber til telekommunikation er n 1 =1.500 og n 2 = En optisk fiber virker efter samme princip som refleksioner fra en vand underflade. For en tilpas stor vinkel, vil lys reflekteres tilbage i vandet, og dermed holdes i materialet med størst brydningsindeks. Dette fænomen kaldes total intern refleksion. Ved overgangen mellem to materialer gælder følgende sammenhæng: n 1 cos(θ 1 ) = n 2 cos(θ 2 ) hvor θ 1 angiver viklen mellem det indkommende lys og materialeovergangen. θ 2 er vinklen mellem materialeoverovergangen og det lys der brydes i overgangen. Når n 1 > n 2 findes der en kritisk vinkel for θ1 som gør at θ 2 = 0. Det betyder at det brudte lys netop fortsætter langs med materialeovergangen og der således ikke noget lys,der slipper ud i kappen af fiberen (se den røde linie på figuren nedenfor). Dette er kravet for total intern refleksion og den kritiske vinkel θ c kan findes ved θ Hvis lysets vinkel med siden af kernen er mindre end θ c vil alt lyset blive reflekteret tilbage i fiberen (se den blå linie på figuren nedenfor). n 2 θ > θ c θ = θ c θ < θ c n 1 177

9 Kapitel 10 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde OPGAVE 1: Hvad er q c for en typisk fiber? Fiber egenskaber: Tab: 0.2 db /km Samlet kapacitet: 20 Tbit/s (multi-l), svarende til 300 million simultane telefonsamtaler eller al Internettrafikken i dag. Transmission før forstærkning: nemt 100 km ved 320 Gbit/s (uafhængig af bit rate). Tab i en leder angives oftest i decibel defineret ved: Tab = -10 log(p ud /P ind ) db OPGAVE 2: Hvor stor er forholdet mellem udgangs- og indgangseffekt efter 100 km fiber? Optisk data : glasfibre - lavt tab, mindre støj Elektro-optisk modulator Glasfiber Opto-elektrisk de-modulator Elektrisk område Sender Optisk område Transmitteringssfibre optisk forstærker Elektrisk område Modtager laser data Optisk data Spredningskompensation fotosensor sync Clock recovery Én fiber er nok til at bære alle telefonsamtaler i verden Figur10-3: Et optisk kommunikationssystem. 178

10 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde Kapitel 10 kan tolke de indkommende bits, se Figur Datasignalet kan komme fra mange forskellige kilder eksempelvis en computer, men det kan også være fra mange computere, telefoner, fra TV stationer eller andet. Fælles for signalerne er, at de i det optiske kommunikationssystem behandles ens dvs. som elektriske bits, der konverteres til optiske og derefter sendes over fiber til en modtager. Der er steder i Verden, hvor det er nemmere at sende igennem luft i stedet for at grave fiber ned dette er tilfældet mange steder i Schweiz, hvor bjergene gør det svært at nedlægge kabler. Det er også tit nemmere at bruge free space kommunikation, hvis det er midlertidige forbindelser, der skal oprettes. Selvom der er meget lavt tab i en optisk fiber, er der dog noget (0.2 db/km). Det betyder, at signalet efter 100 km har tabt 20 db af sin indgangseffekt, dvs. er mindsket til 1/100 af sin oprindelige størrelse. I dag findes der mange smarte teknikker til at forstærke signalet optisk, så det igen kan transmitteres videre med fuld styrke (se kapitel 7). Fælles for disse forstærkere er, at de beror på den føromtalte stimulerede emission. En forstærker er i princippet en laser, blot uden feedback, dvs. uden spejlrefleksioner. Optiske forstærkere kan således laves i halvledermaterialer, ligesom lasere, men p.t. er den foretrukne type baseret på optiske fibre doteret med erbium atomer. Doteret vil sige, at der blandt Si atomerne i glasfiberen er blandet en mængde erbium atomer og disse har energiniveauer, der lige præcis passer til de bølgelængder, man anvender i optisk kommunikation (1550 nm). En erbium doteret fiberforstærker (EDFA fra engelsk Erbium doped fiber amplifier) har typisk 30 db forstærkning og er desuden fuldt ud kompatibel med transmissionsfibrene, d.v.s. den kan direkte sammenkobles med transmissionsfiberen. Udover tab er der også en anden fundamental udfordring med fibre, nemlig den såkaldte dispersion. Dispersion er et fænomen, som alle mennesker har set. Regnbuen er et godt eksempel på dispersion i en vanddråbe. Dispersion betyder simpelthen, at lys med forskellige bølgelængder har forskellig hastighed og derfor afbøjes forskelligt i et givent medium (vand eller glas). Det hvide lys fra solen, som indeholder alle bølgelængder, vil få dets enkelte bølgelængder bøjet forskelligt i regndråben, og derfor vil de enkelte farver komme ud af dråben forskellige steder dvs. de enkelte farver spredes rumligt. Det samme sker i en fiber. En tidsligt kort optisk puls, vil også spænde over et bølgelængdeområde på ca. 1 nm for en 3,5 ps bred puls. Hvis man betragter fiberen som værende baseret på total intern refleksion, vil de forskellige bølgelængdedele af pulsen bøjes lidt forskelligt inde i fiberen. Resultatet bliver, at efter en vis transmissionslængde bliver de enkelte bølgelængdedele mere og mere separerede. Pulsen bliver derfor bredere og bredere, og hvis man ikke kompenserer for dispersionen, vil nabopulser begynde at overlappe, og dermed vil informationen ødelægges. Dispersionen i en standard transmissionsfiber kan heldigvis relativt let kompenseres med dispersionskompenserende fiber, som har modsat dispersion af standardfiberen. Denne modsatte dispersion kan opnås ved at designe fiberens dimensioner, især fiberens diameter. Som nævnt kan en fiber i princippet bære al Internettets trafik på én gang. Udfordringen er hvordan man kan samle meget information på én gang. Det skitserede optiske kommunikationssystem ville ikke kunne klare det. I dette system samles data elektrisk og påtrykkes derefter den elektro-optiske modulator. Men elektronikken kan slet ikke operere så hurtigt. Den er p.t. begrænset til at kunne modulere ved ca. 40 Gbit/s (hvilket selvfølgelig er meget i forhold til en 1 Mbit/s bredbåndsforbindelse derhjemme, men er ret lidt i forhold til Internettets samlede trafik på ca. 4 Tbits/s. Man skal altså finde på andre løsninger. Bitraten kan øges ved at bruge flere lasere ved 179

11 Kapitel 10 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde FAKTABOKS 2 Princippet bag en laser Atomic processes absorption C=hv stimulated emission spontaneous emission Predicted by A. Einstein 1903 same energy (λ =c/ν) same direction same polarisation same phase (coherent) fires at will isotropic radiation spontaneous emission starts it stimulated emission takes over reflections > multiple roundtrips -> intensity build-up -> highly directional laser beam LASER: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Einstein fremsatte i 1903 hypotesen om, at atomer grundlæggende vekselvirker med lys på tre måder: Absorption og stimuleret eller spontan emission. Ved absorption kan en lyspartikel (en foton), der har en energi E = h f, som passer med energiforskellen mellem to atomare energiniveauer (f.eks. to Bohr energiskaller), absorberes og dermed forsvinde. Dens energi overgives til atomet, hvorved der flyttes en elektron op til et højere energiniveau 180

12 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde Kapitel 10 atomet siges at være exciteret. Et exciteret atom kan nu afgive sin lagrede energi ad to veje stimuleret eller spontant. Ved stimuleret emission kommer der en foton med den rigtige energi, svarende til forskellen mellem de to atomare energiniveauer, forbi atomet og kilder, så at sige atomet indtil dette slipper sin energi fri i form af en ny foton magen til den forbipasserende. Atomet stimuleres altså af en foton til at udsende endnu én, som er fuldstændig magen til samme energi, samme retning, samme polarisation og samme fase (dvs. de svinger op og ned samtidig). Man kan faktisk ikke skelne de to fotoner fra hinanden. Ved spontan emission er der ingen eksterne fotoner tilstede og atomet henfalder da spontant af sig selv. Da der ikke er nogle ydre faktorer til at favorisere lysudsendelsen, vil denne være i tilfældige retninger, polarisation og fase. Stimuleret emission er kernen i en laser. Den anden del er feedback, og denne kan skabes med to spejle. Hvis man nu forestiller sig en mængde atomer (eventuelt på gasform eller organiseret i et krystal som i en halvleder), der er blevet exciterede vha. en ekstern energikilde, vil disse atomer på et tidspunkt begynde at sende spontant emitterede fotoner ud i alle retninger. Er atomerne placeret mellem to spejle, som vender fuldstændigt mod hinanden, vil nogle af de spontane fotoner blive reflekteret tilbage igennem atomgruppen og stimulere til emission i samme retning etc. Disse stimulerede fotoner vil nu ramme det andet spejl og blive reflekteret direkte tilbage og igen passere atomgruppen og føre til mere stimuleret emission. Således vil de stimulerede fotoner løbe frem og tilbage mellem spejlene og blive flere og flere. Til sidst vil der næsten slet ikke være plads til spon-tan emission, og alt lyset imellem spejlene vil stort set være ensrettet. Hvis det ene spejl er 99 % reflekterende, vil 1 % løbe igennem og komme ud som en ensrettet, ensfarvet laserstråle. forskellige bølgelængder, og så sende disse bølgelængder af sted samtidig. Hver laser moduleres så ved eksempelvis 10 eller 40 Gbit/s, og flere hundrede bølgelængder kan så bruges. F.eks. blev der i et japansk eksperiment anvendt 273 lasere med forskellige bølgelængder, som hver blev eksternt moduleret ved 40 Gbit/s, hvilket resulterede i en samlet kapacitet på 10.9 Tbit/s. Alle signalerne blev samlet på en fiber og transmitteret og efterfølgende skilt ad igen, og de enkelte 40 Gbit/s kanaler blev analyseret separat. Denne teknik, hvor man multiplekser bølgelængder, er uhyre effektiv til at opnå høje datakapaciteter. Men som det nævnte eksempel viser, skal der også bruges mange lasere og ligeså mange datamodulatorer dvs. 546 aktive komponenter i alt. Disse kræver tilsammen en enorm mængde strøm og fylder også meget i netværksterminalerne. I stedet for at bruge flere bølgelængder kan man bruge tiden til at multiplekse i. Hertil bruges tidsligt meget korte pulser, som er meget kortere end de time slots de skal være i dvs. at der tidsligt vil være plads til flere pulser i samme time slot. Hvis man så kun bruger en enkelt laser til at generere de korte pulser og derefter optisk multiplekser ved at flette pulsene sammen i én time slot, kan man opnå ultrahurtige datasignaler og virkelig spare store udgifter på lasere (og detektorer i modtageren). Optisk tidsmultipleksning forskes der intenst i på, som har et af verdens førende laboratorier på området. Det beskrives indgående i det følgende. Ultrahurtig optisk kommunikaton Al Internettrafik kan som nævnt være på én fiber, men udfordringen er at generere de høje bitrater og at skille signalet ad igen på en ordentlig måde. Til 181

13 Kapitel 10 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde 1 Spredning, rystelser Data drop, 10 Gb/s ps puls 10 GHz 2 3 OTDM data Disp. Comp. 3R Optisk port data igennem 4 kontrol 10 GB/s mod + delay Clock recovery Figur 10-4: Et OTDM system. Opgradering af bitraten ved hjælp af optisk tidsmultipleksing: Korte pulser med data ved en lav repetitionsrate kan tidsligt flettes sammen til et højhastigheds datasignal. 640 Gbit/s er verdensrekorden med denne metode. var de første i Europa til at nå denne bitrate det svarer til 2.2 km tæt pakkede boghylder eller alle telefonsamtaler i Tyskland, Frankrig, Italien og England på én gang. At arrangere sine bits på denne serielle måde kan være nyttig i f.eks. højhastighedsdatatransmission eller til seriel kommunikation mellem super-computere. dette er såkaldt optisk tidsdivision multipleksing (OTDM) en mulig vej. På denne måde genereres ultrahurtige datahastigheder optisk alt sammen ved en enkelt bølgelængde og med en enkelt laser. Figur 10-4 viser princippet i et OTDM system. Systemet består basalt set af tre dele: En sender (med en enkelt kortpulskilde, en datamodulator, og en optisk multiplekser), en transmissionsforbindelse af fiber, som er dispersionskompenseret (så de korte pulser ikke forbredes og skaber interferens mellem tidskanalerne), og en modtager (med en synkroniserende clock recovery og en demultiplekser, som tager en enkelt tidskanal ud til fotodetektion og elektronisk databehandling ved den oprindelige lave bit rate). Det er bydende nødvendigt at demultiplekse før den elektroniske databehandling, da det optisk multipleksede signal simpelthen er så hurtigt, at elektronikken bare ikke fatter, hvad der sker. Man kan sige, at elektronik beror på bevægelse af elektroner, som nok er lette, men dog har en endelig masse. Omvendt beror optik på bevægelse (med lysets hastighed) af fotoner, som ingen masse har, og derfor vil optiske løsninger som regel altid være hurtigere end tilsvarende elektroniske. OTDM er et godt eksempel på et system, hvor man udnytter optikkens overlegne hastighedspotentiale. Kommercielle elektroniske systemer opererer i dag ved 40 Gbit/s, mens visse laboratorier rundt i verden kan komme op på 100 Gbit/s. Optisk kan man generere 640 Gbit/s ved metoden skitseret i fig.10-4, og ved at benytte visse tricks og lægge flere lag information på hver puls, er det for nylig vist, at man kan komme op på 2.56 Tbit/s med rent optiske metoder. Igen, alt sammen på én bølgelængde. Hvis man så forestiller sig, at man bare bruger 4 lasere 182

14 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde Kapitel 10 data drop, 10 Gb/s Gb/s 7E-10 BER OTDM data FWHM optisk kontakt kontrol data igennem kontrast tid [ps] Eks. optisk fiber kontakt: 640 Gbit/s: nr. 3 på verdensplan En kontrol puls exciterer molekylære vibrationer -> ændrer refraktive indeks (5fs) -> udnyt i ultrahurtigt interferometer Figur 10-5: 640 Gbit/s switching på først i Europa (nummer 3 på Verdensplan ved 4 bølgelængder, vil man komme op på de 10 Tbit/s, som i et bølgelængdemultiplekset system ville kræve 256 lasere. I et 640 Gbit/s data signal er time slot kun 1.56 ps lang, og for at undgå overlap med nabokanaler regner man typisk med, at datapulserne skal være højst 40 % af time slot, dvs. 600 fs brede. Det er yderst udfordrende at lave så korte pulser, men ikke desto mindre muligt. Der er ikke mange lasertyper, der kan bruges til dette, men der er dog nogle, inklusive nogle typer, der laves på. Pulserne fra laseren på Figur 10-4 splittes op i flere arme, og hver enkelt arm kan indeholde en datamodulator, som opererer ved den lave elektronisk opnåelige rate (f.eks. 10 eller 40 Gbit/s). De datamodulerede pulser forsinkes et bestemt tidsrum i hver arm og flettes efterfølgende sammen for at danne det ultra-hurtige datasignal. OTDM signalet kan derefter transmitteres til sin destination. Undervejs er det muligt, at der skal kompenseres for dispersion og eventuelt skal signalet forstærkes eller regenereres, hvis det har fået for meget støj regenerering benævnes ofte 3R, da det indebærer tre processer, nemlig forstærkning, synkronisering og genskabelse af informationen (engelsk: re-amplifikation, re-timing, re-shaping). På destinationen kan en enkelt kanal evt. tages fra og o/e-konverteres med det samme resten af kanalerne kan evt. sendes videre. Denne proces kaldes demultipleksning, og til dette kræves en meget hurtigt kontakt (eller switch/gate), der kan åbnes for en enkelt time slot og lukkes igen for de andre dvs. åbne i max 1.5 ps for et 640 Gbit/s signal. Dette er meget krævende og kan kun opnås ved brug af rent optiske kontakter, da elektrisk kontrollerede kontakter simpelthen er for langsomme. Nedenfor i afsnittet om fjernelse og indlæggelse af en tidskanal beskrives virkemåden af en sådan ultrahurtig optisk switch, hvor der både kan fjernes en kanal og samtidig indlægges en ny på den gamles plads. 183

15 Kapitel 10 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde Bølgelængdekonvertering OPGAVE 3 Hvad forstår man ved time slot? Hvor korte pulser skal man bruge ved et time slot ved 1 Tbit/s? Fig.10-5 viser nogle resultater fra det første eksperiment i Europa, der demonstrerede muligheden for 640 Gbit/s switching. Der blev anvendt en switch baseret på en særlig type optisk fiber, med et ultrahurtigt respons på få femtosekunder. Denne switch kunne åbnes og lukkes på omkring et picosekund, således at en enkelt kanal kunne ekstraheres af det multipleksede signal. Man siger at switchen har et switching window som altså var lige omkring 1 ps bredt. Det er meget vigtigt at kende den fulde bredde af et switching window for at vide om det vil være tilstrækkeligt ved den pågældende bit rate dette karakteriseres ved FWHM (fra engelsk: full width half maximum). Det er også vigtigt at vide, hvor meget de kanaler, der ikke skal switches, så undertrykkes dette kaldes kontrasten mellem åben og lukket. I Figur 10-5 ses også en såkaldt autokorrelationsmåling, som er en hurtig optisk målemetode, der kan se de hurtige datasignaler dette er igen i modsætning til en elektronisk målemetode med et oscilloskop, som bare er for langsomt til at se de 640 Gbit/s data pulser. I autokorrelationsmålingen ses tydeligt, at der kun er 1.5 ps mellem de enkelte datapulser. Til højre i figuren ses også et oscilloskopbillede af den switchede 10 Gbit/s kanal ved 10 Gbit/s kan oscilloskopet godt følge med. Oscilloskopet kan benyttes til at vise 1-bits og 0-bits samtidig, og hvis man kan se en tydelig forskel på de to niveauer (dvs. der er åbent i midten) er signalet stadig godt og digitalt. Og det var tilfældet i vores eksperiment. Når man benytter signaler med meget høj bit rate per bølgelængde, er en af udfordringerne, hvordan man kan håndtere sådanne signaler i et kommunikationsnetværk. Her er det vigtigt at kunne styre dataene den rigtige vej gennem netværket, blandt andet ved at kunne ændre deres bølgelængde undervejs. For langsommere signaler op til omkring 40 Gbit/s ændrer man bølgelængden ved blot at modtage det optiske signal med en fotodetektor og så bruge det elektriske datasignal og en laser til at skabe et nyt optisk signal ved en anden bølgelængde. For signaler ved meget højere hastigheder omkring 320 Gbit/s er det ikke muligt at ændre bølgelængden på denne måde. Der findes ikke fotodetektorer der kan modtage et sådant signal, og det er ikke uden videre muligt at skabe et optisk signal ud fra et elektrisk signal. En af de løsninger man arbejder med, er at benytte hurtige fysiske effekter til at ændre bølgelængden af lyset uden at skulle detektere det og genskabe signalet. Der er flere forskellige måder at gøre dette på, men de bygger næsten alle sammen på én eller flere ulineære effekter i det materiale lyset sendes igennem. I optiske fibre bruger man typisk Kerr ulineariteten til at påvirke datasignaler på forskellige måder. Kerr ulineariteten beskriver den sammenhæng som findes mellem intensiteten af lyset i fiberen og fiberens brydningsindeks det vil sige lysets hastighed i fiberen. c fiber og c vakuum er lysets hastighed i henholdsvis den optiske fiber og i vakuum, og n fiber er fiberens brydningsindeks. Så længe lysets intensitet, I, er lav, er n fiber n fiber, konst en konstant for fiberen. Når intensiteten af lyset øges meget, begynder n fiber dog at afhænge af lysets intensitet, så: n fiber = n fiber,konst + n fiber,ulineær I. n fiber,ulineær er i glas typisk omkring m 2 /W. Lys er elektromagnetisk stråling, og en lysbølge 184

16 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde Kapitel 10 kan beskrives matematisk som k er det såkaldte bølgetal. E beskriver den bølge lyset består af, som funktion af stedet i fiberen z og tiden t. Hvis n fiber er konstant vil E være en helt normal cosinusbølge med konstant bølgelængde gennem hele fiberen. Hvis n fiber derimod ændrer sig som funktion af t, vil lysets bølgelængde kunne se ud som på fig Nederst på fig.10-6 kan man se hvordan brydningsindekset n fiber ændrer sig i fiberen, når en kort puls af meget intensivt lys passerer gennem den. Pulsens intensitet som funktion af tiden, har samme facon som n fiber, der er vist i figuren. Øverst kan man se, hvordan bølgelængden af lys, der passerer gennem fiberen samtidig med denne kraftige puls, vil blive påvirket. Før og efter den kraftige puls, vil lyset have bølgelængden λ0, som er den bølgelængde der blev sendt ind i fiberen. Den del af lyset, der passerer gennem fiberen samtidig med pulsen, vil derimod få ændret sin bølgelængde således at bølgelængden i starten af pulsen trykkes sammen til λ 2 (λ 2 < λ 0 ), mens bølgelængden på den anden side af pulsen vokser til λ 1 (λ 1 > λ 0 ). Denne effekt kan forstås på samme måde som når man trækker en kam hen over en forhindring, se fig Som man kan se på tegningen, vil afstanden mellem tænderne i kammen ændres på hver side af forhindringen. De tænder, der netop er fri af forhindringen, vil have en større afstand end dem der er langt fra forhindringen, mens de tænder der netop møder forhindringen vil blive trykket sammen og have en mindre afstand end de øvrige. Hvis man betragter tændernes afstand som lysets bølgelængde kan man se den effekt, der finder sted i en optisk fiber. λ 0 λ 1 λ 2 λ 0 Ved hjælp af denne sammenhæng mellem lysets intensitet og materialets brydningsindeks, kan man bruge kraftige pulser af lys til at ændre bølgelængden af det lys, der er i fiberen samtidig med de kraftige pulser. En af de måder man kan bruge denne effekt i praksis, er ved at danne kraftige puln fiber, ulineær dominerer n fiber E n fiber, konst t Figur 10-6: Bølgelængdeændring ved påvirkning af brydningsindekset. 185

17 Kapitel 10 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde λ 0 λ 1 λ 0 λ 2 λ 0 Figur 10-7: En kam trækkes henover en forhindring. ser af lys, som indeholder det digitale datasignal man ønsker at overføre til en anden bølgelængde. Som nævnt tidligere, vil det sige, at hver gang man har en puls svarer det til et digitalt 1, mens ingen puls svarer til et digitalt 0. Disse pulser sendes ind i en fiber sammen med en almindelig laserstråle, som ligger tæt på den bølgelængde man ønsker datasignalet skal have. Laserstrålen vil hele Røde data pulser 1 Ind i fiberen Blå laserstråle 1 Ud af fiberen Filter Grønne data pulser Figur 10-8: Bølgelængdekonvertering. 186

18 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde Kapitel 10 tiden være i fiberen, men hver gang der også er en kraftig puls i fiberen vil laserstrålens bølgelængde blive ændret som vist på fig På denne måde får man en ændring af laserens bølgelængde hver gang man i sit data signal har et digitalt 1. Ved udgangen af fiberen kan man så fjerne både de oprindelige kraftige pulser og laserstrålen med et passivt filter. Det eneste man så har tilbage, er de dele af laserstrålen, der har fået ændret sin bølgelængde på vej gennem fiberen, se fig En af de store fordele ved denne metode til ændring af bølgelængden er den meget hurtige reaktionstid af Kerr effekten. Når en kraftig puls passerer fiberen vil n fiber, ulineær reagere indenfor ~ s. Det vil sige, at man kan benytte denne type effekter til at ændre bølgelængden på datasignaler over 1 Tbit/s. Den højeste hastighed, der indtil videre er demonstreret med denne type system, er bølgelængdekonvertering af et 320 Gbit/s datasignal. Dette blev vist på i Simultan fjernelse og indlæggelse af en tidskanal I et kommunikationssystem baseret på optisk tidsmultipleksing er det vigtigt at kunne ekstrahere og erstatte enkelte tidskanaler i det serielle højhastighedssignal (OTDM signalet). Dette er en funktion som kan udnyttes til at lave trafikknudepunkter, hvilket er illustreret i fig Et sådant system kaldes normalt en add-drop switch. Først fjernes en tidskanal (drop) hvad der efterlader en tom plads i OTDM signalet. For at udnytte denne plads indlægger man en ny tidskanal (add). I juni 2006 lykkedes det på at sætte en verdensrekord på 320 Gbit/s i add-drop switching ved at udnytte et såkaldt Sagnac ringinterferometer. Virkemåden er baseret på Kerreffekten, hvilket vil blive beskrevet i det følgende sammen med et par regneeksempler. Sagnac Interferometret Denne type interferometer består af en såkaldt kobler eller splitter, som fordeler lyset ud i to fiber-arme som er forbundet således, at de danner en ring som vist på fig Det indkommende lys fordeles af kobleren i to dele med lige stor intensitet, som så bevæger sig ad modsatte veje rundt i fiberringen. Da de to dele 320 Gbit/s 310 Gbit/s 320 Gbit/s DROP ADD 10 Gbit/s 10 Gbit/s Figur 10-9: Add-drop switch. I dette tilfælde er den serielle bitrate 320 Gbit/s, og de enkelte tidskanaler har en bitrate på 10 Gbit/s. 187

19 Kapitel 10 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde af lyset bevæger sig ad den samme fiber, vender de tilbage til kobleren på samme tid. Hér fordeles de hver især ligeligt på de to fibre på den anden side af kobleren, hvor de forskellige bidrag vil summere og interferere med hinanden afhængig af deres indbyrdes faseforskel. Et ringinterferometer som vist i fig vil have destruktiv interferens på udgangen og konstruktiv interferens på indgangen. Man siger at lyset bliver reflekteret fra interferometeret. Dette kan udregnes (regneopgave 4) vha. lidt simpel matematik og beskrivelsen af kobleren i faktaboks 3. Ultrahurtig switching med ringinterferometer Et ringinterferometer, som beskrevet i det foregående, kan udnyttes til at lave en ultrahurtig optisk switch, som kan ekstrahere en enkelt tidskanal fra et multiplekset signal med en bitrate op til 640 Gbit/s. Dette bygger på Kerr-effekten, dvs. en ikkelineær optisk vekselvirkning mellem i dette tilfælde data-laserpulser og kontrol-laserpulser ved en anden bølgelængde, som har en meget høj intensitet. Princippet er følgende: kontrolpulserne lukkes ind i starten af fiberringen via en ekstra kobler, således at de bevæger sig den ene vej rundt og dermed kun følges med den ene halvdel af data-signalet. Kontrol pulsernes repetitionsfrekvens er den samme som for de enkelte tidskanaler (f.eks 10 Gbit/s), og samtidig sørges der for, at de overlapper nøjagtigt med den tidskanal, som ønskes switchet ud. Pga Kerr-effekten vil data-pulserne opleve et lidt højere brydningsindeks på deres vej igennem fiberen og har derfor en lavere hastighed. Det giver anledning til en lille forsinkelse i ankomsttiden tilbage ved kobleren i forhold til den anden halvdel af datasignalet (som bevægede sig den anden vej rundt og derfor ikke mærker kontrolpulserne). Hvis denne relative forsinkelse er nøjagtigt en halv periode, eller med andre ord, hvis faseforskellen er π, bliver der byttet om på destruktiv og konstruktiv interferens i de to udgangsfibre. Den berørte tidskanal bliver altså sendt ud på den anden side af interferometret (skifter udgangsfiber), hvorimod resten af signalet bliver reflekteret tilbage i den indekommede fiber (som i regneopgave 4). Dette kaldes demultipleksing af en tidskanal, og når ringinterferometret bruges til den slags formål kaldes det et non-linear optical loop mirror (NOLM). E in 3 db coupler Figur 10-10: Sagnac interferometer 188

20 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde Kapitel 10 Som udregnet i opgave 5 skal lysintensiten af kontrollaserpulserne være ekstremt høj for at realisere en optisk switch. I praksis er dette dog ikke noget problem, da en fibers kerneareal er så lille, hvilket gør lysintensiteten tilsvarende stor. Sædvanligvis kræves der en gennemsnitlig effekt på ca. 0.1 til 1 W, hvilket sagtens kan leveres af høj-effekt Erbium doterede fiberforstærkere. Dobbelt switch baseret på ringinterferometer Herover blev det vist, hvorledes et ringinterferometer kan bruges til at fjerne en tidskanal fra et OTDM signal. Princippet kan udvides således at man switcher en ny tidskanal ind på den tomme plads. Dette er vist i fig.10-11, hvor fiberringen er lavet af 100 m af fiberen fra opgave 5, også kaldet et highly nonlinear fiber (HNLF). Hér sørger man for at både den tidskanal, der skal fjernes, og den som skal indsættes på den tomme plads, begge er synkroniserede med kontrolpulserne inde i fiberringen. Således mærker begge tidskanaler Kerr-effekten fra kontrolpulserne, og de bliver begge switchet til den modsatte side af hvor de kom fra. På fig ses også nogle nødvendige ekstrakomponenter: cirkulatorer ved udgangen af kobleren (3 db = 50:50) som dirigerer signaler, der forlader fiberringen, ned til båndpas filtre (BPF). Disse tillader kun databølgelængden at passere. Løst sagt gør denne switch det muligt at flytte to elektromagnetiske felter på én gang ved hjælp af et tredje felt. Kontrol pulser 10 GHz (1544 nm) HNCF 100 m 3dB NOLM 3dB 320 Gb/s ind (1568 nm) Add kanal 10 Gb/s (1557 nm) 320G ind port target drop kanal Adderet kanal 320 Gb/s ud (1557 nm) 320G ud port Drop port droppet kanal 10 Gb/s (1557 nm) add in port Figur 10-11: Dobbelt switching ved 320 Gbit/s baseret på et ringinterferometer (dette kaldes simultan add-drop multipleksing: sadm) 189

21 Kapitel 10 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde FAKTABOKS 3 Kobleren En kobler består af to fibre, hvor selve kernerne er ført meget tæt sammen over en vis længde, således at lyset kan bevæge sig fra den ene til den anden fiber (se figuren herunder). Ved nøjagtigt at kontrollere førnævnte længde under fremstillingen, kan man bestemme, hvilket fordelingsforhold kobleren skal have. Til et ringinterferometer benytter man typisk en 50 % kobler, som fordeler lyset i to lige store dele. Generelt er disse fiberkoblere et meget anvendt redskab i fiberoptik, hvor de f.eks. bruges til andre typer interferometre, og til at tappe lys fra en fiber for at overvåge signalet. Matematisk beskrivelse Formlerne i figuren beskriver, hvordan det indkommende lys E in fordeles af en 50 % kobler (3 db kobler) på de to udgående arme, givende E 1 og E 2. E in 0 cos( k z ω t) E1 = E0 cos( k z ω0 t) = E 0 50% kobler 1 2 E 2 = 1 E 2 0 cos k z ω 0 π t + 2 Forklaring: en kobler har den egenskab at lys der skifter fiber (lyset i E 2 ) oplever en faseændring svarende til en kvart bølgelængde (π/2) i forhold til lys, som følger samme fiber på vej ud af kobleren (lyset i E 1 ). Faktorerne 1/ 2 i stedet for 1/2 skyldes at 50 % refererer til at det er intensiteten af lyset ( E 2 ), der deles i to. Formlen har denne form uanset hvilken af de fire fibre man bruger som indgang. Intensiteten af lyset er givet ved E 2 = E 0 2 (midlet over én periode), z og t er hhv. position og tid, k = 2π/λ 0, ω 0 = 2π f, hvor λ og f er hhv. bølgelængde og frekvens af lyset. Sidstnævnte er relateret ved udtrykket c = λ f, og c er lysets udbredelseshastighed, givet ved c = c 0 /n, hvor c 0 er lyshastigheden i vacuum og n er fiberens brydningsindeks (silica: n 1.5). 190

22 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde Kapitel 10 OPGAVE 4 En reflekterende fiberring Et ringinterferometer som vist i fig vil reflektere lys i den forstand, at et indkommende elektrisk felt vil blive sendt tilbage med lige stor intensitet til den fiber, som det kom ind ad. Benyt formlerne for 50 % kobleren til at bevise dette. Vejledning: benyt formlerne til at opstille udtryk for de felter, der bevæger sig henholdsvis med og mod uret inde i fiberringen. Når disse to felter kommer tilbage til kobleren (på samme tid og fra hver sin side) anvendes formlerne igen to gange til at udregne, hvorledes de hver især fordeles på de to udgående fibre fra ringen. Herefter summeres bidragene for at opnå det totale udgående felt på hver fiber. OPGAVE 5 Ekstrem lysintensitet Udregn lyseffekten (i Watt) og intensiteten (i Watt/cm 2 ) i fiberen af de kontrolpulser, som er nødvendig til at inducere en forsinkelse på en halv periode, når databølgelængden er λ 0 = 1550 nm og fiberringen har følgende data: kerneareal a = 11.5 μm 2, længde L = 100 m, ikke-lineært indeks n 2 = m 2 /W. Vejledning: én periode er givet ved T 0 = λ 0 /c 0. Rejsetiden gennem fiberringen er t = L/c, hvor c = c 0 /n. Pga Kerr-effekten ændres brydningsindekset n til n = n + n 2 P ctrl /a, hvor P ctrl er kontrolpulsernes effekt, hvorved hastigheden nedsættes til c = c 0 /n. Forskellen i ankomsttid til kobleren mellem de datapulser der bevæger sig hhv. med og mod uret, bliver derfor t - t = L n 2 P ctrl /(c 0 a) Dette udtryk sættes lig med en halv periode, hvilket giver et udtryk for P ctrl. Opsamling Vi har i det foregående beskrevet optiske kommunikationssystemer og i særdeleshed optiske løsninger til ultrahurtig kommunikation. Vi har beskrevet, hvordan Internettrafikken vokser med ca. 60 % om året, hvilket betyder et stærkt behov for hurtig datatransmission. På forsker vi ihærdigt i at finde løsninger til fremtidens kommunikationssystemer. Et scenarie er at bruge ultra-korte pulser flettet tæt sammen i et serielt ultra højhastigheds datasignal, baseret på optisk tidsmultipleksing. Vi har vist, hvordan vi kan generere et 640 Gbit/s data signal på en enkelt bølgelængde (dvs. baseret på en enkelt laser), og hvordan vi kan skille det ad igen i en ultrahurtig optisk kontakt, således at det nedbrydes til sit oprindelige lave bitrate niveau, hvor elektronikken kan følge med, og signalet derfor kan databehandles elektronisk. Vi har også beskrevet løsninger til at skifte bølgelængde ved den høje bit hastighed og til simultant 191

23 Kapitel 10 Meldinger fra derude hvor elektronikken ikke kan bunde at fjerne og indlægge en ny datakanal. De høje bithastigheder bliver sandsynligvis en bydende nødvendighed indenfor en årrække, og blandt andet med de her nævnte eksperimenter er de fysiske rammer også så småt ved at være på plads. Fysikken fortæller os, at den eneste farbare vej er den optiske, idet den elektroniske er for langsom. Hans Christian Hansen Mulvad, Ph.d. studerende Michael Galili, Ph.d. Studerende Leif Katsuo Oxenløwe, Lektor 192