− Det här är nog det enskilt största projektet hos fotonikavdelningen på Chalmers, säger professor Peter Andrekson, som leder forskningen.

Till skillnad mot traditionella erbiumdopade förstärkare, som har speciella materialegenskaper som gör att de enbart kan förstärka vid våglängden 1,5 µm, är detta koncept skalbart.

Peter Andrekson

− Vi använder en vågledarstruktur. I vårt fall använder vi en optisk fiber med speciella egenskaper vid telekomvåglängder. Men det går att designa strukturer och implementera vårt koncept och få samma förstärkningsegenskaper vid helt andra våglängder, förklarar Peter Andrekson.

Hittills har Chalmersforskarna således tillämpat sitt arbete i optiska fibersystem för kommunikation.

Nya resultat, ännu inte publicerade, är mycket lovande. I ett experimentet har teamet visat att det går att öka avståndet som en signal når i en optisk fiber med 5,5 gånger bara genom att byta ut dagens erbiumdopade förstärkare mot den nya förstärkartypen.

− Vad vi vet är detta är den enda kända optiska förstärkare som kan ha en brusfaktor som är mycket lägre än den kvantgräns som finns för vanliga optiska förstärkare.

Vanliga optiska förstärkare, som de erbiumdopade, har som bäst en brusfaktor på 3 dB. Det innebär att signal-brusförhållandet alltid försämras när en signal förstärks.

− Vår förstärkare har en kvantgräns på 0 dB.

Lösningen bygger på en så kallad faskänslig förstärkare, PSA.

Till skillnad mot traditionella förstärkare som har två vågor in – en pump som ger laserverkan och en signal – matas denna förstärkare med tre vågor: en pump, en signal som bär information och en så kallad idler som också är information av samma slag som den första informationsvågen. Det är fasläget mellan de tre vågorna som avgör förstärkningen.

− Utmaningen är att justera det relativa fasläget mellan de tre vågorna. Gör man det rätt får man en kraftig förstärkning med väldigt lågt brustillskott. Är fasläget fel får man en dämpning.

Förutom att förstärkaren har fantastiska brusegenskaper har den även en inbyggd mekanism som motverkar de problem som annars uppstår i en optisk fiber på grund av dess icke linjära egenskaper.

I trådlösa kommunikations­system går det att skruva upp effekten för att få en bättre signal vid samma brus. Det går inte i fiberoptiska system. Skickar man in mer effekt så uppstår en mängd kraftiga icke linjära fenomen, exempelvis spektrala breddningar, som har med att fiberglasmaterialet har ett brytningsindex som är beroende av intensiteten.

− I praktiken måste man jobba vid en effekt där man hittar en balans mellan de icke-linjära problemen och signal-brusproblemen. I våra förstärkare kan vi däremot till stor del motverka de icke linjära fenomenen som uppträder. Den har alltså dubbla fördelar.

Nästa steg för forskarna är att undersöka nya tillämpningar. Planen är att börja göra tester på så kallade Free Space-länkar i labbet. Det handlar om trådlös optisk kommunikation baserad på fri sikt, liknande dagens mikrovågslänkar.

− Vi har köpt utrustning för att simulera långa avstånd. Om testerna faller väl ut planerar vi att redan i år göra någon form av fälttest där vi gör transmission över x antal kilometer här i Göteborg.
Inter-satellitkommunikation är ett exempel på tänkbar framtida tillämpning.

− Vi har skissat på en lösning hur man kan kommunicera till månen och på sikt kanske ända till mars.

Det som gör Chalmerslösningen lämpad för detta är att ljus har betydligt lägre förluster orsakad av diffraktion än exempelvis mikrovågor.

Om man med dagens system skickar en 10 cm bred stråle till månen så är den runt 2 km bred när den kommer dit. Om aperturen på mottagaren är 10 cm försvinner väldigt mycket effekt, runt 80 dB.

− Det passar oss rätt bra. Vi har räknat på detta och ser att vi med våra system kan transmittera med hög datatakt till månen. Till mars får man lägga på 40 till 60 dB i diffraktiva förluster, säger Peter Andrekson, och han tillägger:

− Vi har haft kontakt med MIT, som är i kontakt med Nasa, som visat intresse för detta.

En annan fördel vid jämförelse med mikrovågslänkar är den höga bärfrekvensen. Mikrovågor har en bärfrekvensen på några 10-tals GHz eller lägre, medan ljusets typiskt är 200 THz.

− Det gör tekniken lämpad för att kommunicera väldigt mycket information under kort tid. Ta exempelvis en konsert på Ullevi.Vanliga mikrovågslänkar kan ha problem att hantera 10 000-tals mobiltelefoner som ska ladda upp information på Facebook samtidigt.

Då kan ett alternativ vara att sätta upp optiska system som tillfälligt hantera de massiva informationsmängderna.

Även andra situationer som kräver överföring av massiva datamängder med låg fördröjning kan vara framtida nischtilllämpningar. Här nämner Peter Andrekson direktlänkar mellan skyskrapor i storstäder som New York och Tokyo.

− Fördelen med skyskrapor är att man mellan kontor på visuellt avstånd kan skicka flera Tbit/s. Det är fullständigt omöjligt med ett mikrovågssystem.

På sikt ser han även att konceptet kan komma att spela roll i traditionell fiberoptisk kommunikation.

− Fast där ser jag inte att detta har kommersiell bärighet på flera år.