Et lille twist af lyset mangedobler kapaciteten i optisk fiber
Hvis det ikke var, fordi datahastigheden i optiske fibre gennem det seneste kvarte århundrede var øget mere end 10.000 gange, ville internettet for længst være bukket under.
Og nu har forskere fra Boston University i USA i samarbejde med bl.a. den danske producent af optiske fibre OFS-Fitel i Brøndby præsenteret en ny mulighed for at mangedoble kapaciteten af dataoverførsel, så vi også de kommende år kan opleve stærkt stigende transmissionshastigheder.
Ideen er at udnytte muligheden for at sende flere forskellige signaler gennem fiberen på forskellige bølgetyper (modes), der adskiller sig ved at have et forskelligt impulsmoment eller orbital angular momentum (OAM).
Et orbital angular momentum svarer til at give lyset en snoning som en vindeltrappe, når det bevæger sig gennem fiberen. Man kan adskille forskellige signaler ved at sno lyset mere eller mindre kraftigt.
Se denne video af OAM-bølgetyperne.
Det er en teknik, der tidligere er udnyttet i andre sammenhænge med lys og også i forbindelse med radiobølger.
Læs også: Snoede radiobølger skal skaffe båndbredde til hungrende mobilbrugere
Men det er en mulighed, som man ikke hidtil har anset for praktisk anvendelig i optiske fibre, da uperfektheder i fibre vil blande signalerne sammen og derfor i kommunikationsterminologiens fagudtryk vil give anledning til krydstale.
Siddarth Ramachandran fra Boston University har lavet oplægget til en optisk fiber, som minimerer denne mode-kobling.
Poul Kristensen fra OFS-Fitel har været med til at optimere det foreslåede design og har fremstillet en fiber i Brøndby. OFS-Fitels danske afdeling har udspring i NKT’s lyslederproduktion, som blev påbegyndt omkring 1980.
En fiber med en længde på 1,1 kilometer er efterfølgende blevet afprøvet i en forsøgsopstilling. I ét tilfælde er signaler sendt gennem fiberen på fire forskellige modes – de sædvanlige to (med to forskellige polarisationsretninger) uden snoning – og to OAM-modes, der henholdsvis er venstredrejet og højredrejet.
Forskerne har herved eftervist, at med brug af sædvandlige fejlkorrigerende koder er fiberen anvendelig til at overføre et 50 Gbaud QPSK-signal.
Fiberen er også blevet brugt til at overføre et signal på 1,6 terabit/s ved at benytte 10 bølgelængder, to OAM-bølgetyper og et avanceret modulationsformat, der kendes som 16-QAM.
Indeksprofilen skal optimeres
Måden at undgå krydstale eller sammenblanding af signalerne på er, at de forskellige bølgetyper har et forskelligt effektivt brydningsindeks.
Når en optisk fiber kan holde lyset på plads, er det, fordi den har et brydningsindeks i midten (kernen), der er højere end brydningsindekset udenom (kappen).
Men da lysintensiteten knyttet til de forskellige bølgetyper ikke er koncentreret samme sted, har de et forskelligt effektivt brydningsindeks, som er et vægtet gennemsnit af, hvordan brydningsindeks varierer med radius.
Den specielle fiber, som Poul Kristensen har fremstillet, har som normale optiske fibre et højt brydningsindeks i centrum. Det er omgivet af en ring med et lavere brydningsindeks og endnu en ring med en højere brydningsindeks. Uden om den sidste ring findes kappen med et konstant lavt brydningsindeks.
Ved at styre den specifikke brydningsindeksprofil har man opnået en forskel i effektivt brydningsindeks mellem de sædvanlige bølgetyper og de nye OAM-bølgetyper på ca. 0,0016.
Jo større den forskel er, desto sværere er det for de to former for bølgetyper at koble til hinanden. Forskerne bemærker i deres artikel i Science, at den opnåede forskel i det effektive brydningsindeks er større end det, som er nødvendigt for at undgå kobling mellem bølgetyper med forskellig polarisation i såkaldte polarisationsbevarende fibre.
Poul Kristensen oplyser dog, at det stiller meget høje krav til, at fiberen er cirkulær. Små afvigelser herfra i produktionsprocessen kan være med til at øge koblingen mellem modes.
Kan finde anvendelse i datacentre
Anvendelse af OAM-modes til at overføre meget høje datahastigheder i fibre kræver altså en helt ny form for optiske fibre. Det er ikke en teknologi, som det er muligt at anvende med de fibre, som allerede er i drift.
Poul Kristensen understreger også, at der findes forskellige andre metoder til at øge kapaciteten inden for optisk kommunikation.
Det gælder bl.a. brugen af fibre med flere kerner, som bl.a. er blevet benyttet af Toshio Morioka fra DTU Fotonik.
Læs også: DTU-professor slår rekord: Sender en petabit i sekundet gennem en optisk fiber
»Det er endnu for tidligt at vurdere, hvilken teknologi som vil finde anvendelse i stor stil,« siger Poul Kristensen.
Han vurderer dog, at OAM-teknologien kan være interessant i store datacentre, hvor der skal overføres meget høje datahastigheder over afstande, som er under en kilometer, og hvor der allerede i dag er pladsproblemer med at installere nye kabler.
