Veijo Hänninen

Kuituoptista datansiirtoa

Kun kuituoptiikka otettiin viestintäkäyttöön 1970-luvulla, sitä pidettiin lähes ehtymättömänä siirtokapasiteetin luonnonvarana. Siitä lähtien sen kapasiteetti on kasvanut tekijällä kymmenen neljän vuoden välein, mutta internetin yhä laajeneva käyttö on jo hätyyttelemässä tämäkin luonnonvaran rajoja.

Yksi tapa kasvattaa siirtokapasiteettia on tietysti lisätä kuituja maahan ja kanaviin mutta se ei tunnu riittävän vaan tiedemiehet on pistetty kehittelemään uusia teknisiä ratkaisuja.

Alkuun kuidussa käytettiin intensiteettiin perustuvaa yksinkertaista on-off signalointia. Signaalin amplitudista siirryttiin 1990-luvulla hyödyntämään myös fotonien vaihetta ja polarisaatiota eli sijoittamalla useampi bitti kuhunkin kellojaksoon.

Samalla otettiin käyttöön tekniikkaa, jolla voitiin korjata kuitujen tuottamia epälineaarisuuksia. Tämä vaatii yhä enemmän elektroniikkaa eli lähinnä DSP- ja ADC-tekniikkaa. Näillä konsteilla on päästy aina 100 Gbps nopeuksiin.

2000-luvulla kuitujen hyödyntämistä on edelleen tehostettu ns superkanavien käyttöönoton myötä. Nykyisin tavoitteena on käytännön tasolla jo 400 Gbps nopeudet.

Alan tieteen parissa on saavutettu hyviä kapasiteettiarvoja mutta mitä mahtaakaan tuoda esiin elektroniikan korvaaminen fotoniikalla.

Valon nopeutta lähestyen

Normaalissa optisessa lasikuidussa valo kulkee noin 30 prosenttia hitaammin kuin tyhjiössä. Onteloytimisissä kuiduissa suurin osa valosta kulkisi valon nopeudella mutta niissä valon siroaminen lasin ja ilman rajapinnasta rajoittaa aallonpituuksien määrää tai tuottaa suuremmat siirtohäviöt.

Vuonna 2013 University of Southamptonin tutkijat kertoivat valmistaneensa ultraohuen sisuksen omaavan lasikuidun, jolla voidaan siirtää huomattavasti laajempi aallonpituuksien kaista. Sen avulla suuretkin määrät dataa voivat siirtyä 99,7 prosenttisella valon nopeudella.

Tutkijoiden kehittämän onteloytimisen fotonikaistaerokuitu (HC-PBGF) tarjoaa ennätyksellisen yhdistelmän pientä häviötä (3,5 dB/km) ja laajaa kaistanleveyttä (160 nm).

Ontelokuitujen poikkileikkaukseltaan hunajakennomainen rakenne sirottaa valoa ytimessä siten, että tietyllä aallonpituusalueella, valo kokee ytimessä konstruktiivisen interferenssin. Näin ollen kyseinen valo ei voi paeta ytimestä.

Ontot kuidut ovat vaikeita valmistaa joten ne ovat yleensä lyhyitä ja niiden käyttö rajoittuukin lähinnä datakeskuksiin

Löysät pois

Toinen tapa parantaa optisen kuidun siirtokapasiteettiaon tehostaa optisten signaalien käyttöä.

Sveitsiläisen EPFL:n tutkijat saavuttivat loppuvuodesta 2013 kymmenkertaisen siirtokapasiteetin kasvun optisissa kuiduissa tiivistämällä valopulssien välejä. Perinteisissä siirtomenetelmissä valopulssien välissä tarvitaan tietty välys, jotteivät signaalit häiritse toisiaan. Tämä jättää saavutuksesta päätellen paljon tyhjää tilaa kuituun.

Tutkijoiden menetelmä tuottaa Nyquist sinc -pulsseja lähes täydellisesti. Sinänsä ajatus näiden pulssien käytöstä ei ole uusi mutta aikaisemmin sellaisia ei ole onnistuttu muokkaamaan riittävän tarkasti. EPFL:n ryhmä onnistui siinä käyttäen yksinkertaista laseria ja modulaattoria tuottamaan pulssin, joka on 99 prosenttisesti täydellinen.

Käytännössä pulssin muoto määräytyy sen spektristä. Tässä tapauksessa tarvittiin suorakulmaista spektriä ja se tarkoittaa, että pulssin kaikilla taajuuksilla täytyy olla sama intensiteetti.

Sellaisenaan se ei lasereilla moduloitunakaan onnistu vaan silloinkin pulssin päävärillä on edelleen taipumus olla voimakkaampi kuin toiset. Tämän ongelman tutkija ratkaisivat tekemällä hienosäätönsä vaihelukitun taajuuskamman avulla.

Tehokkaampaa valokuitusignalointia

Nykyiset valokuitutekniikan huiput, 160 – 224 gigabittiä sekunnissa QPSK- ja 16QAM-moduloinnilla perustuvat yhä monimutkaisempiin ja hankalan kokoisiin modulaattorijärjestelmiin.

Southamptonin yliopiston Optoelectronics Research Centren (ORC) ja irlantilaisen Eblana Photonics -yhtiön tutkijat ovat kehittäneet menetelmän, joka mahdollistaa laserin generoida kompleksisia modulaatioformaattien signaaleja ilman modulaattoria.

Tutkijat loivat vuonna 2014 yhdistelmän puolijohdelasereiden optista injektiolukitusta (optical injection locking, OIL) ja suoraa modulaatiota tuottamaan IQ-moduloituja optisia signaaleja.

Uusia ulottuvuuksia käyttöön

Kuitusignaloinnissa informaatiota koodataan nykyään valon eri tiloihin kuten polarisaatioon, aallonpituuteen, amplitudiin ja vaiheeseen. Eikä aina tyydytä yhteen kuituytimeen.

Näiden jatkoksi tanskalaiset kuitututkijat ovat esitelleet mahdollisuutta siirtää valoa kuituoptiikassa kierteellä eli rataimpulssimomentin (Orbital Angular Momentum, OAM) muodossa. Sen avulla voi antaa fotoneille vielä yhden uuden vapausasteen ja se mahdollistaa luoda ortogonaalisia, avaruudellisesti erillisiä datavirtoja.

Tutkijat osoittivat menetelmänsä tehoa lähettämällä 1,6 terabittiä sekunnissa valokaapelissa kahdella OAM-tilalla ja kymmenellä aallonpituudella yli kilometrin matkan.

Lokakuussa 2014 Eindhoven University of Technologyn (TU/e) ja University of Central Floridan (CREOL) tutkijat raportoivat onnistuneesta ennätyksellisestä 255 terabittiä sekunnissa siirrosta läpi uudentyyppisen kuidun.

Uusi kuitu sisältää seitsemän erilaista ydintä, joiden läpi valo voi kulkea nykyisten yhden sijasta. Lisäksi he ottivat käyttöön uuden kohtisuoran dimension informaation multipleksauksessa.

Yhdistämällä erilaisia menetelmiään tutkijat pääsivät 255 Tbit/s siirtokapasiteettiin yli kilometrin kuituyhteydelle. Eräs toinen tutkimus avaruusjakoiseen multipleksausta ja moniytimistä kuituteknologiaa käyttäen tuotti kapasiteetin 2,15 Pbit/s yli 33 kilometrille 22-ytimisessä yksimuotokuidussa.

Laskentateho kantaa pidemmälle

Kapasiteetin rajana, jolla informaatiota valokuiduissa voidaan siirtää, on kuidun epälineaariset optiset ilmiöt. Tietyn kynnystehotason jälkeen lisätehon kasvatus vain vääristää yhä pahemmin valokaapelissa kulkevaa signaali-informaatiota.

University of California San Diegon fotoniikan tutkijat onnistuivat vuonna 2015 kasvattamaan maksimitehoa ja siirtämään dataa ennätykselliset 12000 kilometriä valokaapelissa jossa on standardeja vahvistimia mutta ei toistimia.

Saavutus poistaisi tarpeen sähköisistä regeneroivista toistimista, joita on sijoitettu pitkin kuitulinkkiä. Tällaiset välivahvistimet ovat käytännössä supertietokoneita ja niitä on käytettävä jokaisessa, jopa 80 – 200 kanavassa. Lisäksi sellainen estää läpinäkyvän optisen verkon rakentamisen.

Läpimurto tässä tutkimuksessa perustuu tutkijoiden kehittämiin laajakaistaisiin taajuuskampoihin. Ylikuuluminen valokuidun kanavassa tottelee kiinteitä fysiikan lakeja eikä siten ole satunnainen. Tässä tapauksessa taajuuskampaa käytetään esikompensoimaan signaalien vääristymiä, joten sen ovat sitten vastaanotossa helpommin tulkittavissa.

Myös University College Londonin (UCL) tutkijat paransivat optisen kuidun yhteysetäisyyttä testeissään 3190 kilometristä 5890 kilometriin.

Tässä tapauksessa tehokas epälineaarisuuksien lieventäminen saatiin aikaan käyttämällä monikanavaista digitaalista takaisin etenemisen (MC-DBP) tekniikkaa, joka on yhdistetty optimoituun toistokorjaukseen.

Digitaalisella takaisinetenemisen (DBP) tekniikalla kompensoidaan kaikki kuidun epäsovitukset algoritmillä, joka ratkaisee kuitulinkin käänteisen epälineaarisen Schrödingerin yhtälön, käyttäen jaetun-askeleen Fourier menetelmää (SSFM) laskemaan lähetetty signaali vastaanotetusta signaalista. Ja kaikki tämä näppärästi lankanopeuksilla.

Ohjelmistollista kompensointia

Äskettäin Hong Kong Polytechnic Universityn (PolyU) tutkijat esittelivät datakeskusten käyttöön suunnittelemansa ennätysmäisen 240 Gbit/s siirron yli kahden kilometrin matkalle. Se on 24-kertainen nykyisiin vastaaviin nopeuksiin markkinoilla ja on lisäksi saatavissa neljäsosalla nykyisten kustannuksista.

Kalliiden ja kookkaiden erikoislaitteiden sijaan PolyU tutkimusryhmä kehitti ohjelmistollista lähestymistapaa kumota vääristymiä. Suuria datamääriä siirtäen siirtokuidusta voidaan tilastollisella analyysillä tunnistaa syntyneitä vääristymiä ja sitä kautta palauttaa vähemmän vääristyneitä signaaleja.

Siten näinkin merkittävä kasvu lähetysnopeudessa voidaan saavuttaa edullisilla ja markkinoilla jo olevilla komponenteilla.

Nykytarjonnan huippuja

Nykyisen kuituliikenteen tehostamiseen tarkoitettujen kytkintekniikoiden huippua edustanevat Nokina uusi Photonic Service Engine sekä Infineran Infinite Capacity Engine.

Alkuaan Bell Labsin suunnitteleman Nokian Photonic Service Engine versio 2 (PSE-2) on valmistajan mukaan alan kehittynein superkoherentti digitaalinen signaaliprosessori.

Kyseessä on ensimmäinen ohjelmoitava signaaliprosessori, joka mahdollistaa tasapainotella aallonpituuden kapasiteetin ja kantoetäisyyden välillä ja sitä kautta maksimoida jokaisen operaattorin vuosien mittaan käyttöön ottaman kuidun tehokkuus.

Infineran Infinite Capacity Engine on yhtiön mukaan alan ensimmäinen optinen alijärjestelmä, joka tarjoaa verkko-operaattoreille yhdistelmäetuja tuottaa optisia superkanavien kapasiteetteja aina 2,4 terabittiin sekunnissa ja ulottuvuutta aina 12 000 kilometriin asti samalla paketilla.

Infinite Capacity Enginen voimanlähteenä on valmistajan uusin FlexCoherent-prosessori ja Infineran jo neljännen polven fotonisesti integroitu piiritekniikka (PIC). Siinä yhdistyy satoja erillisiä optisia toimintoja yhdelle mikrosirulle, parantamassa tekniikan tiheyttä, virrankulutusta, lämmöntuottoa ja luotettavuutta.

Fotoniikkaa kehiin

Fotoniikka jos mikä olisi omiaan optisiin kuitulinjoihin liittyvän elektroniikan korvaajana.

University of Southamptonin ja Institut d'Optique Bordeauxin tutkijat ovat kehittäneet uuden lähestymistavan ohjata valoa piisirulla tuomalla käsitteen avaruudellisesta valon modulaatiosta integroituun optiikkaan.

Piifotoniikka muodostaa selkärangan seuraavan sukupolven on-chip teknologialle ja optiselle tietoliikenteelle. Nykyisten fotonisten sirujen toiminnallisuus on yleensä kiinteästi langoitettua mutta tämä kehitystyö avaa tutkijoiden mukaan ovia uudelleen muunneltaville optisille rakenteille.

Tutkijoiden kehittämä valon modulaattori muuttaa piifotoniset komponentit monipuolisiksi muunneltaviksi elementeiksi. Käytännön sovelluksia sille voisivat olla täysoptiset muunneltavat reitittimet, ultranopeat optiset modulaattorit ja kytkimet optisille verkoille.

Purduen yliopistolla kehitteillä olevilla uusilla läpinäkyvillä metamateriaaleilla voisi puolestaan tuottaa siruja ja siirtoyhteyspiirejä, jotka käyttävät valoa elektronien sijasta datan käsittelyyn ja siirtoon.

Tällä metamateraalilla vältetään metallisissa metamateriaaleissa tapahtuva valon hävikki ja lisäksi tällä saatiin kaikki piialustalle, koska näin saadaan elektroniikan ja fotoniikan toimintoja samalle sirulle.

Uudella kuidun ympäröivällä piipohjaisella metamateriaalilla tutkijat ovat pystyneet toteuttamaan totaalisen sisäisen heijastuksen ilmiön nanomittoihin, jota on perinteisesti pidetty mahdottomana.

Työssä hyödynnetään materiaalin vahvaa anisotrooppisuutta muokkaamaan totaalista sisäistä heijastusta, jolla nykyäänkin ohjataan valoa valokuituun. Työ tavallaan realisoi pitkäaikaisen tavoitteen valon alle diffraktion rajauksen ja ohjauksen ilman metalleja.

Erittäin pieniä optisia kytkimiä

Valon siirron ja ohjailun lisäksi tarvitaan valoa kytkeviä elementtejä. Tiedemiesryhmä Vanderbiltin ja Alabama-Birminghamin yliopistoista sekä Los Alamos National Laboratorystä kertoi keväällä 2015 kehittäneensä erittäin nopean ja pienen optisen kytkinrakenteen. Se voidaan kytkeä päälle ja pois terahertsien nopeuksilla.

Nämä ultranopeat kytkimet on valmistettu "metamateriaalista", joka koostuu vanadiinidioksidin (VO2) hiukkasista, jotka on päällystetty kullan nanohiukkasilla. Vanadiinidioksidi on kiteinen kiinteä aine, joka voi nopeasti siirtyä edestakaisin läpinäkymättömän metallitilan ja läpinäkyvän puolijohtavan tilan välillä.

Rakenteessa kultahiukkasten verkosto toimii plasmonisena valokatodina, joka indusoi nopeita faasimuunnoksia vanadiinidioksidissa kun sitä valaistaan femtosekuntien laserpulssilla.

Nopeuden ja pienen koon lisäksi näillä kytkimillä on useita ominaisuuksia, jotka tekevät niistä ihanteellisia optoelektroniikan sovelluksiin. Ne ovat yhteensopivia nykyiseen mikropiiriteknologiaan ja piisiruille ja ne toimivat näkyvän valon ja lähi-infrapuna-alueen taajuuksilla, mikä on optimaalinen tietoliikennesovellusiin.

Ehkä joskus kvanttiulottuvuuksilla

Yksi ulottuvuus tiedonsiirron tulevaisuudessa on kvantti-ilmiöiden hyödyntäminen.

Tiedepiireissä hahmotellaan jo kvantti-internettiä, jossa tiedonsiirto perustuisi tietoturvalliseksi miellettyyn kvanttitekniikkaan.

Kvanttiperustainen tiedonsiirto perustuu hiukkasten, esimerkiksi fotonien lomittumiseen ja niiden siirtämiseen valokuidussa mutta nykyiset ratkaisut eivät mahdollista kovin pitkiä yhteysvälejä eikä varsinkaan keskittimiin perustuvaa välitystekniikkaa sillä ratkaisut vaatisivat aineellisiin kvanttimuisteihin perustuvaa tekniikkaa. Tosin tätäkin vaatimusta on esitetty kierrettäväksi erilaisin sekaratkaisuin.

Kevään 2014 aikana useampikin tutkimuslaitos kertoi kehittäneensä menetelmiä, joissa lomittumista voidaan hyödyntää useammalla ulottuvuudella.

UCLAn johtama tutkijaryhmä osoitti, että he voivat paloitella ja lomittaa fotonipareja useaksi ulottuvuudeksi käyttämällä erilaisia kvanttiominaisuuksia, kuten fotonien energiaa ja spiniä. Jokaisella uudella ulottuvuudella lomittumista, fotoniparien kuljettama tiedon määrä kaksinkertaistuu, joten viisiulotteisella lomituksella voitaisiin välittää 32 kertaa enemmän informaatiota kuin peruslomittuneella parilla.

Huhtikuu 2016