Nu är 100 Gbit Ethernet moget att lämna forskarvärlden. Vad som står runt hörnet är däremot fortfarande osäkert.

– Det debatteras. Alla har förstått att vi har en väldigt stor utmaning framför oss som i stor utsträckning begränsas av hårdvaran. Antingen blir det 400 Gbit/s eller 1 Tbit/s.

Det säger Peter Andrekson som ägnat hela sin forskarkarriär åt att ta reda på hur man på effektivaste sätt kan kommunicera på långa avstånd med optisk fiber. Redan för 24 år sedan doktorerade han i optoelektronik på Chalmers, därefter var han tre år på Bell Labs.

– Jag var väldigt delaktig i utvecklings-arbetet när man tog fram den erbium-dopade fiberförstärkaren på Bell Labs. Det var ett dramatiskt genombrott. Utan det hade Internet inte fungerat idag, säger Peter Andrekson.

Den erbiumdopade fiberförstärkaren klassas ofta som det andra riktigt stora steget inom optisk kommunikation. Det första togs redan 1970, då lasrar som fungerar i rumstemperatur och fibrer med låga förluster kunde börja tillverkas.

Sedan dess har faktiskt inget dramatiskt genombrott skett. Istället har man putsat på en mängd viktiga detaljer som exempelvis det usla utnyttjandet av spektrumet i dagens kommersiella optiska kommunikationssystem. Forskarvärlden jobbar just nu intensivt med tekniker som kan packa kanalerna tätare för att öka informationsflödet.

– Man måste gå ifrån de väldigt enkla binära lösningarna. Idag finns det några få kommersiella system som kodar både fas och polarisation. Det ökar informationsutbytet med en faktor fyra och är ett måste för att klara 100 Gigabit Ethernet. Hårdvaran blir helt enkelt begränsande annars, säger Peter Andrekson.

Framtida modulationsmetoder är ett område som Chalmersgruppen jobbat mycket med under de senaste fem-sex åren. Främst har man koncentrerat sig på att koda information i ljusets fas och metoder som QPSK (Quadrature Phase Shift Keying – ibland kallat 4 QAM) som ger två bitar per symbol och 16 QAM (quadrature amplitude modulation) som ger fyra bitar per symbol ligger under den svenska forskargruppens lupp. På sikt är tanken att gå vidare till 64 QAM.

– De som utvecklar trådlös teknik tycker att detta är trivialt, men i vår värld är det verkligen inte det. Vi jobbar med datatakter som är betydligt högre. I trådlösa system kanske man har 100 Mbit/s, vi talar om 100 Gbit/s.

Å andra sidan är Peter Andrekson inte sen att utnyttja tvärdisciplinära synergier när tillfälle ges. Som heltidsprofessor på Chalmers leder han numera en forskargrupp på runt 20 personer som spänner över två olika institutioner. Den ena, MC2, mikroteknologi och nanovetenskap, arbetar huvudsakligen med optiska kommunikationssystem där hårdvaran är gränssättande. Den andra institutionen heter S2, signaler och system, och är specialiserad på trådlösa kommunikationssystem där signalbehandlingen och algoritmerna är utmaningen.

– Det är skoj att se hur kunskap som utvecklats inom ett helt annat fält nu i någon mening kan modifieras och återanvändas.

Avancerad elektronik i form av snabba AD-omvandlare och DSP:er i kombination med smarta algoritmer är ett måste för att man i framtiden ska nå 400 Gbit/s och högre hastigheter. Samtidigt har man på senare tid insett att signalbehandlingen och elektroniken bränner extrema effekter.

Enligt färska analyser kommer Internetanvändningen i vid bemärkelse, med routrar och datorer, om mindre än tio år förbruka mer el än vad hela jorden producerar idag om utvecklingen fortskrider som den gjort hittills.

– Det är ohållbart. Därför måste effektförbrukningen in i vår forskning på ett helt annat sätt framöver, påpekar Peter Andrekson.

Ett led i denna ambition är en pågående breddning av forskningssamverkan med institutionen Datorteknik som kan elektronikkonstruktion. På samma sätt är det tänkt att det årsgamla forskningscentrumet för -fiberoptisk kommunikation, Force, Fibre Optic Communications Research Centre, ska bidra till att samordna forskningen inom optisk kommunikation på Chalmers.
 
– Force är väldigt löst hållet. Alla på Chalmers som vill får bidra. Kärnan är MC2 och S2 och kanske också Datorteknik så småningom, säger Peter Andrekson som förestår Force.

En av utmaningarna inom det nya forskningscentrumet är att försöka förstå vilka olika flaskhalsar som finns när det gäller effektförbrukningen. Under de senaste fem åren har det varit väldigt mycket hype kring att man kan lösa allt med elektronik och signalbehandlig.

Ett typiskt exempel är dispersionen i en fiber (breddningen av en ljuspuls) som ju måste tas om hand. I moderna system kompenserar man den elektroniskt med koherent detektion. Dessvärre skalar effektförbrukningen linjärt med hur mycket dispersion man ska kompensera för med elektroniken. Ju sämre signalen är, desto mer effekt kostar det.

– Men effektförbrukningen i elektroniken kan begränsas genom att även använda optiska metoder. Det vore intressant att studera hur den påverkas om man väljer optiska kompenseringsmetoder. Idag är det ingen som vet hur mycket man kan tjäna på det.

En anledning till den bristande kunskapen kring den accelererande effektförbrukningen är att det hittills främst är industrin som intresserat sig för området. Och industrin sprider inte gärna sina egna resultat. För Peter Andrekson är således den kortsiktiga industrinära forskningen lika viktig och inspirerande som den långsiktiga forskningen.

– Förstår man det industrinära perspektivet kan man göra ett bättre jobb inom den grundläggande forskningen eftersom man förstår hela kedjan och minimerar risken att börja jobba mot återvändsgränder.

Hans kommersiella intresse fick också utlopp år 2004, då han var med och knoppade av företaget Picosolve från Chalmers. Picosolve, som byggde ett supersnabbt optiskt oscilloskop, köptes efter fem år den kanadensiska test- och mätgiganten Exfo. Efter köpet etablerade företaget ett svenskt dotterbolag, Exfo Sweden, som Peter Andrekson numera är vd för och som fungerar som ett rent FoU-center för det kanadensiska företaget.  

Chalmersforskarnas lista över svenska samarbetsföretag är också gedigen. Här finns förutom den viktiga partnern Ericsson, även företag som exempelvis Proximion och Transmode.  

Samtidigt erkänner Peter Andrekson att den globala samverkan är den allra viktigaste. Det är så de riktigt stora genombrotten kan bli till. Och för att branschens utveckling ska fortsätta i samma explosionsartade takt som hittills måste något drastiskt till, typ erbiumförstärkaren för 20 år sedan.

– Jag tror att vi måste backa till mer fundamental forskning för att komma vidare. Det är därför vi har satsat rätt mycket på faskänsliga förstärkare med låg brusfaktor. Det är något helt unikt.

Det var i juni som hans forskargrupp presenterade en faskänslig förstärkare med en rekordlåg brusfaktor på 1 dB – dagens bästa erbiumförstärkare har minst 3 dB. Det låga bruset gör att ljuset kan nå fyra gånger längre i en optisk fiber, något man också lyckats visa experimentellt på Chalmers.

Ytterligare en finess är att den lågbrusiga förstärkaren inte är våglängdsspecifik, utan kan användas till synligt ljus, ir-ljus och annat. Erbiumförstärkaren fungerar bara vid 1,5 µm.

– Flera forskargrupper i världen har visat starkt intresse för detta. Grupper från Tyskland, Danmark, Irland men även grupper från USA har kontaktat oss för att de vill börja samarbeta.

För Peter Andrekson pekar det brinnande intresset världen över på två saker. Dels att den svenska forskningen är världsledande i sitt gebit, dels att det finns en gryende desperation som grundar sig i att man närmar sig väldigt allvarliga gränser i denna industri. Shannongränsen sitter där som ett lock.

– Det krävs något nytt. Vi måste tillbaka till ritbordet och börjar jobba med helt nya typer av förstärkare och fibrer som kan hantera flera moder. Kommersiellt är det säkert inga problem under de närmaste tio åren.

Så ler han och fortsätter för att väcka lite extra nyfikenhet.

– Vi har en hel del fler intressanta idéer som vi jobbar med i  vårt labb  just nu.