Teori och algoritmer för fiberoptisk intensitetskommunikation

Forskningsprojekt, 2011 – 2013

En allt större del av samhällets datakommunikation bärs av optiska fiberlänkar. Det beror på att optiska fibrer har en oöverträffad kapacitet att överföra data vid höga hastigheter, till en måttlig kostnad och energiförbrukning. Den totala längden av installerade optiska fibrer motsvarar ungefär 25 000 varv runt jorden, eller som härifrån till Jupiter. Målet med det här projektet är att utveckla metoder för fiberoptisk kommunikation över korta avstånd. Två tillämpningar står i centrum: "fiber-to-the-home" och datacentraler. "Fiber-to-the-home" innebär att enskilda hushåll kopplas upp via en optisk fiber, som levererar nuvarande och framtida datatjänster såsom internet, HDTV, hemmabio, telemedicin och onlinespel. Datacentraler är enorma hallar med datorkluster, som håller på att byggas upp i rask takt av storföretag som Google och Microsoft för att hantera t.ex. söktjänster, databaser, internethandel och "molnet" (s.k. cloud computing). Sådana centraler, som redan nu står för nästan 2 % av världens totala elförbrukning, innehåller miljarder korta signalförbindelser mellan datorerna och mellan kretsar inuti varje dator. Även här kommer en övergång till fiberoptisk teknologi att vara oundviklig för att tillfredsställa behoven av ökande kapacitet och samtidigt hushålla med energi. Gemensamt för dessa båda tillämpningar är att kostnaden för varje optisk länk är kritisk, till skillnad mot klassiska fibertillämpningar såsom transoceaniska kablar, vars höga kostnader delas av många användare. I projektet utgår vi från den enklaste tillgängliga optiska utrustningen, och utvecklar nya metoder, och ny kommunikationsteori, för att utnyttja utrustningen på bästa sätt. Sådan utrustning, som i princip består av en laserdiod (eller lysdiod) i ena ändan av en fiber och en ljussensor i den andra, finns redan, men den används inte effektivt. Utrustningen har vissa fundamentala begränsningar, framför allt att den är okänslig för ljusvågens fasläge och har låg bandbredd, vilket behöver beaktas i systemkonstruktionen. Man börjar med att representera datapaketet som skall överföras som en tidsvarierande signal. Denna signal får sedan styra ljusvågens intensitet. Mottagarens registrerar variationerna i ljusets intensitet och översätter dem tillbaka till ett datapaket. Metoden kallas intensitetsmodulering. Det finns dock ett oräkneligt antal sätt att representera data som signaler, och det är inte känt vilken metod som är den bästa. Bäst kan i det här sammanhanget betyda antingen att överföringen skall gå med så hög hastighet som möjligt inom en begränsad bandbredd eller att den skall förbruka så lite energi som möjligt. Dessa fundamentala kommunikationsteoretiska frågor har hittills studerats förhållandevis lite, och det finns inte ens teoretiska metoder för att angripa dem på ett systematiskt sätt. Sådana metoder kommer att utvecklas inom projektet. Två typer av resultat förväntas. För det första strävar vi efter att förstå intensitetsmoduleringens innersta natur och dess förmåga till effektiv dataöverföring. Sådan kunskap, formulerad i matematiska termer, kommer att ge nutida och framtida forskare en verktygslåda för att analysera och optimera intensitetsmodulerade system, och den kommer att ange teoretiska gränser för systemens prestanda. För det andra kommer praktiskt användbara kommunikationsstrategier att tas fram för fiber-to-the-home och datacentra, som möjliggör kostnadseffektiv överföring av stora datamängder. De nya lösningarna kommer att innebära högre datahastighet och/eller lägre energiförbrukning än vad som tidigare har varit möjligt.