Ultrahurtig optisk kommunikation

22 Ultrahurtig optisk kommunikation Forskere ved DTU har i fl ere omgange sat verdensrekord i at presse digital information gennem en optisk fi ber. Det giver håb om, at det hastigt voksende internet i fremtiden kan blive mindre strømslugende. Af Leif Katsuo Oxenløwe Opfindelsen af laseren er en af de absolut største bedrifter i det 20 ende århundrede. Laseren er 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/DVDafspillere, stregkodeskannere, til lasersvejsning, kirurgi, underholdning, undervisning, på byggepladser som rettesnore 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 14 nobelpriser (de seneste To af forskerne bag hastighedsrekorderne på DTU: Michael Galili og Leif Katsuo Oxenløwe. Den tredje forsker er Hans Chr. Hansen Mulvad. Foto: Jesper Scheel i 2005 og 2009) til fysikere, der arbejder med emner relateret direkte til laseren. Den vigtigste anvendelse af laseren er dog nok optisk kommunikation. Og netop optisk fiber kommunikation var emnet for Nobelprisen i 2009 til Charles K. Kao, som fik sin del for sit betydelige bidrag til udviklingen af den optiske fiber. Internettet som strømsluger Nobelprisen 2009 sætter et velkomment fokus på et meget varmt emne. Internettet, som i dag er bygget på Kao s optiske fibre, vokser nemlig med ca. 60 % per år. Den dramatiske stigning viser, at der vil være brug for nye, hurtigere og bedre teknologier og tjenester i fremtiden. Men med større internettrafik kommer også et større strømforbrug. I dag bruger internettet strøm svarende til 2 % af det globale menneskeskabte CO 2 -

D I G I T A L K O M M U N I K A T I O N 23 udslip. Det er lige så meget som flytrafikken, men man hører ikke nær så meget om det. Og det til trods for, at flytrafikken ikke stiger med 60 % per år, modsat internettrafikken. Der er derfor mange gode grunde til at udvikle nye mere bæredygtige teknologier, der kan hjælpe os til at skabe større internetkapacitet, men med meget mindre strømforbrug. I dag taler forskere og udviklingsingeniører ikke nær så meget om pris per bit som om energi per bit. Gennembruddet for den optiske kommunikation Forudsætningen for den optiske kommunikations gennembrud var som nævnt opfindelsen af laseren i 1960, men den første laser var ikke så anvendelig til kommunikation. I 1970 kom der to gennembrud, som satte fart på udviklingen: 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, blev det vist, at det var muligt at sende lys igennem en optisk fiber med et tab lavere (17 db/km) end i elektriske kabler. Charles Kao havde netop i 60 erne demonstreret muligheden af, at man kunne udvikle fibre til at bære optiske data med lavere tab end med elektriske kabler, og da hans fremgangsmåde blev fulgt, lykkedes det også. 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. Et verdensomspændende fibernet I 1988 åbnede man det første transatlantiske optiske fiber kabel, TAT-8 Trans-Atlantic Telephone cable nummer 8 (de foregående 7 var alle elektriske kabler). En enkelt optisk fiber har datakapacitet nok til at bære alle telefonsamtaler i verden. L aseren og den optiske fiber Halvlederlaser Strøm (I) Det fysiske grundlag, informationsalderen bygger på, er kombinationen af halvlederlaseren og den optiske fi ber. En laser virker ved, at energitilstande i atomer omsættes til lys. For en halvlederlaser er det negativt ladede elektroner og positivt ladede huller, der mødes og udsletter hinanden, hvorved deres energi bliver til fotoner. Man kan således styre laserlyset med den strøm, man påtrykker halvlederlaseren. En optisk fi ber virker ved et princip kendt som total intern Det var forventet, at kapaciteten på TAT-8 først ville være fuldt opbrugt ved årtusindskiftet, men allerede to år efter indvielsen i 1990 var der ikke Lys ledes ved total intern refleksion (n 1 >n 2 ) Kerne, n 1 Kappe, n2 refl eksion. På fl aden mellem materialer af forskelligt brydningsindeks, opstår refl eksioner. Materialer med højt indeks har en tendens til at binde lyset til sig, så hvis man omgiver en kerne med højt indeks med en kappe af lavere indeks, vil lyset bindes til den inderste kerne. Dette kan i dag gøres med så lavt tab som 0,2 db/km. Udover det lave tab i optiske fi bre er det også attraktivt, at fi beren kan bære en kæmpe mængde data i modsætning til elektriske kabler. Faktisk mere tilbage. Denne eksplosive vækst af telekommunikationstrafikken fra 1988 til 1990, varslede indgangen til en ny æra, nemlig Informationsalderen. Isolering kan al Internettrafi kken i dag være på én fi ber. Det estimeres teoretisk, at ca. 50 Tbit/s kan klemmes ind på én fi ber den seneste eksperimentelle rekord er 32 Tbit/s, så forskerne arbejder virkelig tæt på grænsen. På en fi ber kan man nemlig lægge fl ere 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. Siden fulgte hurtigt en række nye fiberforbindelser, og i 2006 åbnedes den hidtil hurtigste forbindelse over Atlanten, Hibernia-Atlantic. Den har en samlet

24 Illustration: Jesper Kikkenborg Elektrisk område Sender laser Elektro-optisk modulator data Figur 2. Princippet bag optisk tidsmultipleksning. Korte pulser ved lave repetitionsfrekvenser er nemme at lave, og man kan med kommercielt udstyr modulere pulserne med data ved f.eks. at ændre på amplituden af signalet. Disse datapulser kan dernæst tidsligt fl ettes sammen (multiplekses) til at danne en komprimeret serie af datapulser. Med dette koncept kunne DTU Fotonik gå fra 10 Gbit/s til 1,28 Tbit/s, som blev præsenteret i en artikel i tidsskriftet Electronics Letters i Februar 2009. maksimumkapacitet på 2 Tbit/s, hvilket svarer til ca. halvdelen af den samlede internettrafik verden over i 2006. Men fibrene er ikke kun over Atlanten. De forbinder alle 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. Det optiske kommunikationssystem I et optisk kommunikationssystem bærer laserlyset informationen (figur 1). Laseren 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 Optisk data 1 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 Glasfiber Optisk område Transmitteringssfibre optisk forstærker kan direkte moduleres med et elektrisk datasignal evt. fra en computer og således elektrooptisk 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 Opto-elektrisk de-modulator Modtager Spredningskompensation En fiber er nok til at bære alle telefonsamtaler i verden. Elektrisk område fotosensor sync Clock recovery Figur 1: Et optisk kommunikationssystem. Øverst: Elektriske data signaler konverteres til optiske signaler og transmitteres til en modtager, der konverterer signalet tilbage til det elektriske domæne. Nederst: Konverteringen mellem det optiske og elektriske domæne foregår med lasere og data-modulatorer i senderen og fotodetektorer i modtageren. 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 hver 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 recoveryenheden sættes sammen med fotodetektorsignalet, således at en dataprocessor kan tolke de indkommende bits (se figur 1). Datasignalet kan komme fra mange forskellige kilder eksempelvis en computer, men det kan også være fra mange computere, telefoner, fra TVstationer 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. Fra gigabit til terabit I princippet kan en enkelt fiber bære al Internettets trafik på én gang. Udfordringen er, hvordan man kan samle så 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 pt. begrænset til at kunne modulere ved ca. 40 Gbit/s for kommercielt udstyr og ca. 100 Gbit/s i forskningslaboratorier. Man skal altså finde på andre løsninger. En mulighed er at bruge flere lasere ved forskellige bølgelængder, og så sende disse 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

D I G I T A L K O M M U N I K A T I O N 25 De optiske fi berkabler breder sig i takt med at behovet for båndbredde stiger. Selv private brugere bliver nu tilbudt en fi berløsning med Internet, TV og telefoni. 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 multiplekse i tid. 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 pulserne sammen i én time slot, kan man opnå ultrahurtige datasignaler alt sammen ved en enkelt bølgelængde og med en enkelt laser. På DTU Fotonik forsker vi intenst i optisk tidsmultipleksning, og vi har opbygget et af verdens førende laboratorier på området. Ultrahurtig optisk kommunikation I slutningen af 2008 lykkedes det på DTU Fotonik at bryde Terabit-muren ved at demonstrere, at det er muligt at generere så stabile korte pulser fra en enkelt laser, at de kunne flettes sammen til at danne et binært datasignal på 1,28 Tbit/s (figur 2). Optisk tidsmultipleksning ps pulse 10 GHz 1 2 3 OTDM data 4 10 Gb/s mod + forsinkelse spredning, jitter 640 Gbit/s 1280 Gbit/s 6.25 ps DTU Fotonik Lab 6.25 ps Et kommunikationssystem baseret på optisk tidsmultipleksning. En enkelt pulskilde ved lav repetitionsfrekvens får sine pulser splittet i fl ere dele, og disse kan individuelt data-moduleres. De enkelte datapulser forsinkes nu i tid og fl ettes derefter sammen til et højhastigheds datasignal. Udover at tage hånd om dispersion (som er en fi beregenskab, der langsomt gør pulserne bredere) i transmissionsfi brene, skal man også kontrollere og kompensere for tidslig fl immer (jitter), der betyder, Disp. Comp. 3R kontrol data tab, 10 Gb/s optical optisk gate port clock recovery data through at de enkelte datapulser kan fl ytte sig lidt frem og tilbage i forhold til deres ønskede position. Dette er ekstremt vigtigt for så korte pulser, der ligger så tæt på hinanden som i terabit-signaler. Igen skal der meget præcis synkronisering til via clock recovery, og dertil en ultra-hurtig optisk kontakt, der kan skille signalet ad igen i dets enkelte dele, der så kan detekteres. Nederst ses, hvordan datasignalet ser ud ved 640 Gbit/s og ved 1280 Gbit/s, dvs. 1,28 Tbit/s.

26 Rum Tid Nøglen til at nå denne hidtil usete hastighed ligger i at generere stabile og meget korte optiske pulser på kun 300 femtosekunder (et femtosekund = 10-15 sekunder) ved en lav repetitionsfrekvens på 10 GHz. Dette gøres ved at optisk at komprimere pulserne fra en kommerciel laser, som spytter pulser på 1,5 picosekunder (10-12 sekunder) ud. De korte pulser kan skabes ved at udnytte ulineære optiske effekter ved populært sagt at brede spektret ud ved en proces kaldet selvfasemodulation. Den optiske puls har så høj intensitet at lyset begynder at påvirke brydningsindekset i fiberen, og dermed fasemodulerer pulsen sig selv. Denne selvfasemodulation gør pulsens spektrum bredere, og dermed kan pulsen tidsligt komprimeres. Ved at optimere denne proces og benytte de bedste fibre (fra den danske samarbejdspartner OFS Fitel Denmark Aps) er det lykkedes at skabe perfekte pulser med en bredde på 300 fs. Amplitude + fase-modulation of pulser + polarisations-multipleksing firdobbelt informationsmængde Optisk bølge: A c *cos( c t + ) modulation Figur 3. Flere lag af det optiske signal kan datamoduleres. F.eks. vil lys ved to vinkelrette polarisationer under normale omstændigheder ikke se hinanden, så det er som to separate signaler, som man kan lægge yderligere data på. Disse blev så multiplekset sammen til at skabe et datasignal på 1,28 Tbit/s. Svært at teste signalet Et er at skabe signalet, næsten lige så svært er det at se, om signalet er godt. Signalet er nemlig så hurtigt, at der ikke findes testudstyr, der er hurtigt nok til kunne følge det. Derfor må man selv udvikle udstyret til det. Den bedste test af signalet, er dog at skille det ad igen, og lade kommercielt udstyr teste kvaliteten af de adskilte dele. Til at skille signalet igen kræves en ultra-hurtig kontakt, der kan åbne og lukke for en enkelt puls, dvs. på ca. 300-500 femtosekunder. På DTU Fotonik forsker vi meget i at finde og udvikle komponenter, der kan switche så hurtigt, at signaler med hastigheder på terabit/s kan behandles. Et eksempel er den førnævnte ulineære fiber og det hurtige skift i brydningsindeks. Dette kan eksempelvis udnyttes i et ultrahurtigt interferometer, som er et apparat, der benytter det hurtige skift i brydningsindekset og dermed den optisk fase til at skabe et hurtigt skift mellem konstruktiv og destruktiv interferens. Ved at lade en kort kontrolpuls åbne interferometret for en enkelt datapuls, kan denne slippes ud. I rekordeksperimentet på 1,28 Tbit/s benyttedes et rent optisk interferometer, og med det succesfulde forløb viste vi, at det virkelig er muligt at skabe og kontrollere så hurtige datasignaler. Nye rekorder På DTU Fotonik gik vi hurtigt videre og slog endnu en rekord. Det blev nu udnyttet, at det er muligt at lægge flere lag af information på hver enkelt puls, således at selve bit raten øges, uden at puls-raten øges. I stedet for kun at lægge binære data på de optiske pulser, blev der lagt såkaldt quaternary information, og derudover blev også lysets polarisation udnyttet. I alt gav dette en firedobling af bitraten, der således nåede op på 5,1 Tbit/s. I dette eksperiment blev det udnyttet, at lys er en bølge med både en amplitude og en fase, som begge er mulige at modulere (se figur 3), men her blev fasen alene moduleret dobbelt. De 5,1 Tbit/s er den højeste bit rate nogensinde baseret på en enkelt laser den nye rekord er simpelthen det højeste antal bits, der nogensinde er klemt ned på en enkelt laser. Hvis man skulle sammenligne det med et konventionelt kommercielt system, ville det svare til 510 lasere moduleret ved 10 Gbit/s, eller 128 lasere ved 40 Gbit/s, hvilket også nu er ved at være en kommerciel bit rate. De ekstreme hastigheder kunne f.eks. finde anvendelse inden for de kæmpestore Datacentre som Facebook, Microsoft, Google etc, bygger i disse tider. Det er sandsynligt, at disse datacentre vil være de første steder, hvor der vil blive brug for kommunikation i størrelsesordenen multi-tbit/s mellem computere, servere og racks, hvor afstandene er af størrelsesorden 1 km. Om forfatteren Leif Katsuo Oxenløwe er professor ved DTU Fotonik Tlf.: 45253784 E-mail: lkox@fotonik.dtu.dk Videre læsning: Bogen: Optiske horisonter: En rejse på kommunikationsteknologiens vinger. Redaktion: Anders Bjarklev, Jesper Scheel og Charlotte Vibeke Smit. Kan hentes via dette link: http://www.fotonik.dtu.dk/ OpdagFotonikken.aspx www.fotonik.dtu.dk/english/ Research/ResearchActivities/ Highspeed_research/News.aspx