Samhällets databehov ökar explosionsartat och dagens bandbredd räcker inte till. Att installera nya fiberkablar är dyrt – det vore bättre att maximalt utnyttja dem vi redan har. Nu vill forskare vid Chalmers hitta de yttersta gränserna för hur effektiv fiberoptiken kan bli, och visa hur vi kommer dit.
Projektanslag 2018
Unlocking The Full-dimensional Fiber Capacity
Huvudsökande:
Professor Henk Wymeersch
Medsökande:
Erik Agrell
Peter Andrekson
Magnus Karlsson
Jochen Schröder
Victor Torres
Lärosäte:
Chalmers tekniska högskola
Beviljat anslag:
30,7 miljoner kronor under fem år
Tiotusen gånger mer datatrafik. Det är vad vi kan vänta oss när de nya så kallade 6G-mobilnäten är igång om några år, enligt vissa beräkningar. Vi går mot en framtid med miljontals uppkopplade prylar och processer, fordon, datakrävande bitcoin-hantering, VR och AR (augmented reality), och allt fler applikationer som bygger på artificiell intelligens. Fiberkablarna som transporterar signalerna kommer inte att räcka om de används på samma sätt som i dag.
– Ett sätt att lösa frågan skulle förstås vara att installera mer kablar. Men installation och underhåll av tiotusen gånger så mycket optiska fibrer som i dag är dyrt, och ingen användare vill egentligen betala mer för data. Därför vill vi istället hitta ett sätt att använda dagens fibrer mer effektivt, säger Henk Wymeersch.
Han är professor vid avdelningen för kommunikationssystem vid Chalmers. Nu leder han en grupp som med anslag från Knut och Alice Wallenbergs Stiftelse ska utforska den maximala kapaciteten hos optiska fibrer, och demonstrera hur den kan nås i praktiken.
Fyra dimensioner av fiberkommunikation
Henk Wymeersch och hans kollega Victor Torres, forskare i fiberoptisk kommunikation, förklarar att en optisk fiber har fyra grundläggande dimensioner som man kan experimentera med när man sänder data. Fibern själv är en lång tråd av glas, och signalen är laserljus som reflekteras mot fiberns väggar och studsar i ett sicksackmönster från ena änden till den andra. Den första dimensionen består i att signaler skickas i sekvens, genom att ljuset tänds och släcks så att pulser samsas om utrymmet. Den andra dimensionen är frekvensen; signaler med olika våglängd kan sändas samtidigt utan att störa varandra. Den tredje dimensionen är fas; genom att sända ljus i olika faser kan man också få plats med mer data på samma gång. Den fjärde och sista dimensionen är utrymmet. En tjockare fiber gör det möjligt att skicka flera signaler simultant.
– Om fibern är mycket tunn kan bara ljus i vissa vinklar gå igenom, är den tjock kan man arbeta med fler vinklar. Men det är en utmaning att skilja de olika vinklarna från varandra. Vi behöver designa algoritmer som är bättre på att hantera interferensen mellan signalerna, säger Victor Torres.
Arbetar med alla vägar samtidigt
Varje dimension kräver sina åtgärder. För sekvensdimensionen krävs till exempel hårdvara som kan slå på och av laser så fort som möjligt. För maximerat utrymme behövs tjockare fibrer, men också sofistikerad hårdvara som hjälper till att separera ljus av olika vinklar.
– Traditionellt har forskare arbetat med en sak i taget, men det gör inte vi. Vi vill ha en interaktion mellan alla dimensionerna, säger Victor Torres.
Henk Wymeersch liknar det vid ett gigantiskt vägsystem där gruppen försöker kontrollera trafiken på alla vägarna samtidigt. Det handlar om hundratusentals frekvenser som ska skickas på ett koordinerat sätt, och det gör både det teoretiska och det praktiska arbetet mycket komplext.
– Vi behöver forskare som kan informationsteori, som kan modellera optiska fibrer, utveckla algoritmer för signalbehandling, vi måste ha experter på hårdvaran, teoretiker och experimentalister… Ingen av oss kunde ha genomför det här individuellt. Inte ens tre eller fyra av oss kunde ha gjort det som grupp, säger Henk Wymeersch.
Själv är han expert på algoritmerna, medan Victor Torres arbetar med experimenten.
– En stor utmaning i projektet är att brygga över gapet mellan de här världarna och lära sig tala varandras språk, säger Henk Wymeersch.
Nyfikenhet den största drivkraften
De olika forskarna och deras grupper arbetar parallellt. Experimentalisterna bygger system som genererar nya data, samtidigt som teoretikerna räknar på de data som kommer ut och justerar sina modeller. Därefter blir modellerna grund för nya experiment.
– Chalmers är en perfekt miljö för att studera den här utmaningen. Få platser i världen, om några, erbjuder på en gång informationsteorin, expertis på signalbehandling och möjligheterna till avancerade experiment. Om fem år skulle vi kunna öppna ett nytt fält, om vi har tur, säger Victor Torres.
Forskarna hoppas att de ska bana väg för en kapacitetsökning i fibernätet som kan fortsätta i flera decennier. Men de vet inte säkert hur mycket högre kapacitet de kan uppnå. Det blir inte sämre med deras metoder, det är de eniga om, men ingen vet hur mycket bättre.
– Egentligen är det den främsta drivkraften: den vetenskapliga nyfikenheten. Kan vi göra detta bättre, och i så fall hur mycket bättre? Vi vill veta, och vi vill vara de första som listar ut det. Effekten på samhället är faktiskt bara en konsekvens av det vi gör, säger Henk Wymeersch.
Text Lisa Kirsebom
Bild Magnus Bergström
