Case

Når lys bærer data: Forskning i optisk kommunikation skal understøtte fremtidens internettrafik

Grundforskningsfondens Center for Silicum Fotonik til Optisk Kommunikation (SPOC) søger løsninger på fremtidens kommunikationsudfordringer. Siden 2011 har centerets forskere modtaget bevillinger fra Danmarks Frie Forskningsfond på i alt 56 mio. kr. Her fortæller centerleder Leif Katsuo Oxenløwe om, hvad optisk kommunikation egentlig er, samt hvordan bevillingerne fra Danmarks Frie Forskningsfond har bidraget til centerets vidensopbygning.

  • Teknologi og Produktion
  • Sapere Aude

Hvad er ambitionen bag SPOC?

SPOC undersøger fysiske effekter med henblik på at skabe energieffektive kommunikationsteknologier og materialeegenskaber for at lave optiske chips til at håndtere enorme mængder optisk data. Derudover beskæftiger vi os med informationsteori og datakodning for at transmittere optiske bits så effektivt som muligt, samt kvantemekaniske principper for at skabe sikre kvantekrypterede kommunikationskanaler. SPOC tager altså et stort skridt tilbage fra de teknologier, der findes i dag for at se på de store udfordringer for vores kommunikationsinfrastruktur, og søger nye langsigtede teknologiske løsninger. De største udfordringer for internettet i fremtiden er energiforbruget, som ikke må stige, da det allerede er 9 % af al verdens elektricitet, der bruges på kommunikation i dag. Desuden vokser internettrafikken 20-30 % årligt, så kapacitet er ligeledes en udfordring. Derudover er der behov for større sikkerhed, som skal understøtte den tiltagende digitalisering af lovgivning, som skaber et stigende behov for sikker kommunikation. Dette søger SPOC også løsninger på.

Hvad er optisk kommunikation?

Optisk kommunikation er brugen af lys til at bære data. Det kan for eksempel være at morse med en lommelygte, at tænde røgsignaler eller at blinke med solstråler på et spejl. Det kan også være mere højteknologisk, eksempelvis ved at sende laserstråler igennem tynde glastråde kaldet "optiske fibre" eller lyslederkabler. Ved at slukke og tænde for laserstrålen kan man lave ettaller og nuller, som kan sendes meget langt. Man kan desuden bruge lysets fase til at bære information. Der er i dag lyslederkabler over hele verden, på tværs af oceaner og kontinenter, og over halvdelen af jordens befolkning er i dag online. På grund af disse lyslederkabler har vi set en eksplosion i data transmission, og vi sender nu hver eneste dag lige så meget information, som blev skabt fra tidernes morgen frem til år 2000. Hvér dag! Og vores tørst efter mere datatrafik er langt fra slukket: Trafikken stiger fortsat, og vi kan nu også få øje på anvendelser, hvor vi kan bruge den øgede kommunikation til eksempelvis at reducere vores aftryk på klimaet. 

Se videoen: Leif Katsuo Oxenløwe fortæller om det miljøvenlige internet

 

Hvordan kan vi konkret anvende optisk kommunikation, og i hvilke sammenhænge?

Det kan eksempelvis bruges til at udbygge internettet endnu mere, så vi får mulighed for at have et stabilt højkapacitetsnet tæt på trafikken, så biler kan blive selvkørende uden frygt for, at internettet pludselig går ned midt i et vejkryds. På denne måde regner man med, at energiforbruget i trafikken kan reduceres dramatisk - op mod 60 % hvis alle biler er selvkørende. Opvarmning og nedkøling af bygninger er et andet område, hvor internettet kan forbedre energieffektiviteten med omkring 10 % besparelse.

Har I indgået samarbejde med virksomheder i forhold til at videreudvikle produktet?

Vi har jo ikke et enkelt produkt. Vi har mange teknologier, som er under udvikling. Men SPOC er meget mere grundforskning end direkte anvendt forskning, så vore idéer er ikke modne til produktudvikling endnu. Der er dog flere idéer, som har stort potentiale, og vi har samarbejde med flere virksomheder om at modne disse idéer og bringe dem højere op i Technology Readiness Level (TRL). Så der er industriel interesse.

SPOC har eksisteret siden 2015. Hvordan har forskningsområdet udviklet sig over disse fire år? Har det været en risikofyldt rejse, og er der opstået nybrud undervejs?

Der er fuld skrald på dette forskningsfelt, så der er sket meget, og vi følger det nøje. Heldigvis har vi set nogenlunde rigtigt til at begynde med, så vores forskning i SPOC er nærmest kun blevet mere relevant gennem årene.

Hvilke nationale og internationale samarbejdspartnere har centeret?

Vi har mange internationale samarbejdspartnere, både akademiske og rene forskningsinstitutioner. Vi har partnere fra hele verden: USA, Brasilien, Australien, Japan, Kina, Sverige, Norge, England, Tyskland, Frankrig, Italien, Belgien og andre.

Er der elementer af tværvidenskabelig forskning i centeret?

I høj grad. Et kommunikationssystem består af både avanceret fysik og kemi, informationsteori, kommunikationsteori, netværksteori, machine learning/computer science og kodning, samt avanceret matematik.

Hvordan har midlerne fra Danmarks Frie Forskningsfond bidraget til talent- og vidensopbygning hos centerets forskere?

Danmarks Frie Forskningsfond har hjulpet enormt meget og understøttet mange aktiviteter, som SPOC har kunnet forstærke. NANO-SPECs har eksempelvis muliggjort udvikling af ikke-lineære optiske principper, såsom optical time lenses, til at håndtere større datamængder. Projektet NANO-SPECs har gjort det muligt for mig at fokusere indsatser, hvor det var mest nyttigt. Projektet NESTOR var med til at lægge fundamentet for mange af de idéer som skabte SPOC. Yunhong Dings projekter har gjort, at vi havde en fantastisk dygtig forsker i inderkredsen, da vi skulle formulere SPOC, og hans arbejde har støttet SPOC, så vi eksempelvis har publiceret Science artikler i samarbejde. På samme måde har alle de andre projekter været med til at skabe en pulje af viden og eksperter, som SPOC har kunnet samle i en større stærkere indsats.