Polarisationsanpassad fiberoptisk transmission

Forskningsprojekt, 2016 – 2019

Fiberoptisk transmission är den grundläggande teknologi som sänder optiska datasignaler snabbt genom hårstrå-liknande glasfibrer. Tekniken börjar penetrera vårt samhälle och är en förutsättning för internet som vi använder dagligen.

Fiberkommunikation har alltid varit ett teknologidrivet område, där ny teknik radikalt kan förändra sättet på vilket man bygger optiska system. Det senaste sådant teknikskifte vi såg var den koherenta optiska mottagaren, som demonstrerades 2008. Sedan dess har koherent kommunikation varit det rådande paradigmet, med många fördelar trots att mottagaren är dyr och komplicerad. Detta beror på att fasläge och polarisationstillstånd för signalen måste matchas av en laser i mottagaren, den så kallade lokaloscillatorn. I detta projekt skall vi jobba med transmissionsteknologier som kan minska komplexiteten hos den koherenta mottagaren.

Den optiska vågen består i det allmänna fallet av två, av varandra oberoende, vågor som utbreder sig utmed fibern. Dessa kallas för ljusets polarisationskomponenter, och man lägger data på (modulerar) båda dessa vågor. På varje våg kan man modulera dess fas och amplitud, eller uttryckt annorlunda, dess sinus och cosinuskomponenter, dess så kallade kvadraturer. Det betyder att hela signalen består av fyra signaler man kan lägga samtidig data på: de två kvadratuerna i de två polarisationsvågorna. Man säger att man har en fyrdimensionell datasignal som modulerar ljusvågen. När man studerar egenskaperna för den mottagna signalen kan det därför vara bra att använda en fyrdimensionell geometrisk modell i vilken signalerna vrids när de går genom fibern. Nu är emellertid inte alla fyra dimensionerna helt oberoende av varandra, och när signalen går genom fibern kan bara en delmängd av alla möjliga fyrdimensionella vridningar (eller rotationer) äga rum. Exempelvis kan man inte dela isär de två kvadraturerna i en polarisationsvåg, men man kan separera de två polarisationsvågorna från varandra

Å andra sidan har man i sändare och mottagare snabb elektronik som behandlar den fyrdimensionella datasignalen innan den sänds ut, och efter att den tagits emot, och där har man full frihet att göra vilka vridningar man vill av signalen.  Detta sätt, att i sändare och mottagare utnyttja att, under utbredningen i fibern, bara några av alla möjliga vridningar kan äga rum, kallar vi ”polarisationsmedveten fibertransmission”.

De vridningar som kan beskrivas matematiskt inte kan uppstå i fibern kallar vi ”ofysikaliska”, och de har upptäckts helt nyligen. Med deras hjälp kan man flytta modulerad data mellan fas och polarisation.

Vi skall försöka lösa två problem i projektet. Det första har att göra med hur man kan fastställa hur den fyrdimensionella signalen har vridit sig när den detekteras i mottagaren. Detta är i dagens system ett problem som man löser på onödigt komplicerade sätt, och vi tror att ”polarisationsmedveten transmission” kan ge en ny lösning på detta så kallade ambiguitetsproblem. Det andra problemet är att skapa så kallad differentiell modulation av den fyrdimensionella signalen. Differentiell modulation är välkänt för tvådimensionella signaler, men nästan helt outforskat för fyrdimensionella signaler. Ett sådant modulationssätt skulle detektera datasignalen helt oberoende av hur signalen vridit sig genom fibern, och behöva mycket mindre fas- och polarisationsföljning – eller kanske ingen följning alls! Detta skulle dramatiskt förenkla den koherenta mottagaren, men potentiellt stora förtjänster och besparingar för systemtillverkare och telekomoperatörer. 

 Vi planerar inom ramen för projektet även att skapa nya kanalmodeller som beskriver de slumpmässiga vridningar som kan uppstå, samt utvidga de kända teknikerna för att beräkna och förändra polarisationstillstånd med en del nya resultat.