Optisk kommunikation til udvikling af grønt internet

Hvad er optisk kommunikation?

Optisk kommunikation handler om at transportere data ved hjælp af lys.

Internettet virker ved at data sendes via infrarøde lyspulser, der løber gennem optiske fibre. De optiske fibre fungerer som lysledere, der er lagt i kabler og sørger for, at vi kan sende data rundt i hele verden. Selve lyslederen har en tykkelse som et menneskehår og er lavet af enten glas, plastik eller et andet ikke-elektrisk materiale.

Lyslederkabler har vist sig langt mere effektive til at sende data end hidtidige kabler der sender elektriske signaler båret af kobber. Med lys kan man nemlig sende data hurtigere og over længere afstande og lyssignalerne er mindre modtagelig over for støj.

Hvorfor er optisk kommunikation vigtig?

Vores behov for at sende information gennem internettet er støt stigende. Faktisk så meget, at vi konstant og accelererende har brug for at finde nye metoder inden for optisk kommunikation, så vi kan sende mest muligt data med mindst mulig brug af energi.

I dag sluger internettet cirka ni procent af verdens samlede el-produktion, og det står for omtrent to procent af det menneskeskabte CO₂-udslip. Det kræver nemlig meget energi at drive de store datacentre, og for at forbinde dem optisk både internt og med omverdenen kræver de tusindvis af lasere.

Allerede inden for de næste ti år vil behovet for datakapacitet og båndbredde stige voldsomt som følge af alle de ting i vores samfund, der hele tiden bliver koblet til internettet. Der er derfor brug for at finde metoder til at sætte fart på udviklingen af energieffektiv teknologi, som kan sikre os et grønt internet. Og det er her forskning i optisk kommunikation kommer ind i billedet.

Forskning i denne nøgleteknologi vil kunne bidrage til grønnere internet, bedre computer-chips, energieffektive datacentre mv. Men selv om internettet i sig selv bruger energi, så er det også med til at spare energiforbruget i vores samfund idet brugen af de mange forskellige internetfunktioner er med til at effektivisere samfundet.

På den måde er internettet i sig selv en del af klimaløsningen – fx kan man allerede i dag for hvert kg CO₂, der produceres ved brug af internettet, kunne spare 1,5 kg CO₂ andre steder i samfundet på grund af smarte digitale løsninger. Og hvis vi samtidig gør vores kommunikationsteknologi mere effektiv, forventes denne faktor at kunne vokse fra 1,5 helt op til 10.

Verdensøkonomisk Forum (WEF) vurderer, at digitale teknologier kan nedbringe klodens udledning af CO₂ med 15 procent i en række sektorer: transport, landbrug, byggeri, energi og fremstillingsindustrien.

Også det Internationale Energiagentur (IEA) peger på, at digitalisering er afgørende i målet om bæredygtige samfund, der bygger på smarte byer, smart transport, smarte bygninger, smart belysning og smartere kommunikation i sig selv.

Disse potentielle energibesparelser afhænger imidlertid af, hvor hurtigt det går med at øge energieffektiviteten i kommunikationsinfrastrukturen.

For at høste de forventede energibesparelser skal kommunikationsnetværkerne have rigelig kapacitet til at understøtte nye smarte initiativer. Tidskritiske tjenester som fx smart transport skal være pålidelige og sikre og sig selv være mere og mere energieffektive. Dette vil muliggøre et grønnere samfund og støtte flere FN's mål for bæredygtig udvikling.

Men tiden er knap, for der er teknologiske udfordringer: En af dem gemmer sig i ”Moores lov”, som beskriver, hvordan elektroniske chips gennem de seneste 50 år har udviklet sig til mindre, hurtigere og mere energieffektive chips.

Men nu er Moores lov stagneret, da man er ved at nå den fysiske grænse for, hvor lille man kan gøre en chip. Og det har nu stoppet de hidtidige fremskridt i chipteknologien. I dag fremstilles de nyeste mikroprocessorer med en teknologi, hvor de mindste dele måler helt ned til 5 nanometer.

LÆS OGSÅ: Digitalisering er et vigtigt klimaværktøj.

Hvor langt er Danmark inden for optisk kommunikation?

Danmark er blandt de førende i verden, når det gælder forskning og udvikling inden for optisk kommunikation.

DTU huser fx grundforskningscentret SPOC (Silicon Photonics for Optical Communications), hvor forskerne udførte et groundbreaking eksperiment i 2012.

De afprøvede en metode til at optimere internettet, så det kan bære endnu mere data og samtidig spare energi. Det gjorde de ved at benytte én kraftfuld laser-chip – i stedet for de tusindvis af lasere, der bruges i dag – til at bære mere end 600 terabit data pr. sekund igennem en optimeret fiber, hvilket svarer til det dobbelte af hele verdens samlede internettrafik transmitteret i én glasfiber. 

Resultatet illustrerer potentialet i optisk kommunikation og viser, at der kan overføres langt større datamængder end i dag uden brug af tusindvis af lasere, som sluger store mængder energi. Derfor arbejder forskerne på, at få løsningen gjort til virkelighed i et forskningsprojekt INCOM, der er støttet med 60 mio. kr. af Innovationsfonden og foregår i samarbejde med Århus Universitet og 12 virksomheder. 

LÆS OGSÅ: Sådan tøjles internettets energiforbrug.

Lys er også langt bedre end elektronik til at overføre data, så hver gang de optiske fibre skal kommunikere med almindelige elektroniske kredsløb, falder hastigheden markant og der bruges energi. Derfor arbejder forskerne også på at udvikle en optisk chip, som vil betyde, at man vil kunne modtage internetsignaler langt hurtigere.

Også såkaldte chipbaserede frekvenskamme arbejder forskerne ihærdigt på bl.a. i et stort EU-projekt støttet af Horizon 2020. En frekvenskam er en metode som kan skabe meget korte lyspulser ved hjælp af én laser. Den vil kunne øge kapaciteten i et kommunikationsnetværk, der håndterer datatrafik til hastigheder over 100 Tb/s. Ved hjælp af en frekvenskam vil man blive i stand til at erstatte tusinder af standardlasere med kun én enkelt, og det vil spare enorme mængder energi.

LÆS OGSÅ: Chip-baserede frekvenskamme skal øge internettets kapacitet.

Hvad er fremtidsperspektiverne?

Internettet har potentiale til at kunne transportere langt flere data ved minimal brug af energi. Men der skal sættes turbo på at få løsningerne ført ud i livet, da trafikken på internettet ventes at stige med 30 procent om året. Omvendt vil smarte digitale løsninger være med til at kunne spare energi. Derfor er internettet også en del af løsningen på klimakrisen.

De næste generationer af optiske kommunikationssystemer bliver så komplekse, at maskinlæring vil være den hurtigste måde at finde frem til løsninger, hvor vi kan transportere enorme mængder data på den mest energieffektive måde. Derfor arbejder forskerne på, hvordan man integrerer maskinlæring i forskningen inden for optisk kommunikation.

Fordelen ved maskinlæring er, at computeren er i stand til at analysere enorme mængder data og selv finde frem til algoritmer og sammenhænge uden at være forprogrammeret. Fx kan forskerne bruge maskinlæring til at finde frem til modeller, der kan beskrive forholdet mellem sender og modtager, når vi udvikler lasere, frekvenskamme, netværk mv., der skal transportere store mængder data. Der er nemlig mange faktorer så som båndbredde, kanaleffekt, frekvensstøj, trafikrute, der kan spille ind i jagten på den mest energieffektive løsning.

Det stigende fokus på kvanteteknologi til at forbedre internetsikkerheden gør opgaven med at designe optiske kommunikationsløsninger endnu mere udfordrende, fordi det kræver sameksistens og styring af klassiske kanaler og kvantekanaler i det samme optiske netværk. Det skaber behov for udvikling af intelligente optiske modtagere, der kan skelne mellem klassiske signaler og kvantesignaler, så også her er det nødvendigt at anvende maskinlæring og kunstig intelligens i udviklingen.