Internet med laser i luften

Internet med laser i luftenAV LARS HERMANSSONDet som hjälpte södra Manhattan att klara Internettrafiken dagarna efter terrorattentaten den 11 september 2001 kan visa sig vara mer än en övergående fluga. Trådlös optisk kommunikation är en ny konkurrent till bredband via radio eller optisk fiber i storstäderna.Vid terrordåden mot World Trade Center i New York förstördes en stor del av det datanät som användes på södra Manhattan. Det finansiella centrumet saknade plötsligt koppling mot Internet. Det var viktigt att få i gång de förstörda förbindelserna så snabbt som möjligt, men att ersätta den förstörda optiska fibern med ny skulle ta för lång tid.För bara något år sedan hade det självklara alternativet varit radio. Men radio är långsamt, dyrt, kräver licenser och är känsligt för avlyssning. I stället föll valet på trådlös optisk kommunikation: lasrar som signalerar genom luften. Det var den nya teknik som motsvarade kraven på snabb installation och hög överföringskapacitet. Redan den 12 september, dagen efter attentaten, skrevs de första kontrakten, och ett par dagar senare var de första ersättningsförbindelserna till och från Manhattan etablerade. Förespråkarna hoppas nu att detta kommer att bli det lysande exempel som visar att tekniken är mogen för en etablering i fler tätbebyggda områden.Optisk signalering gammal idéDen första installationen av trådlös optisk kommunikation i Sverige har varit i gång sedan i början av oktober 2001. Den består av en länk som förbinder den ena hötorgsskrapan med en kontorslokal på Kungsgatan i Stockholm. Det är typisk trådlös optisk kommunikation: ett kort avstånd och hög överföringskapacitet i storstadsmiljö.Att överföra information via ljus genom luften är knappast någon ny idé. Den optiska telegrafen kom till Sverige år 1794 som andra land i världen. Frankrike var först. Systemet bygger på skyltar som ställs i olika lägen och avläses på flera kilometers håll med kikare. Det användes framgångsrikt i hundra år, men konkurrerades ut av den effektivare elektriska telegrafen. En annan variant av optisk kommunikation är den militära signalering som fortfarande är i bruk och går ut på att blinka morsesignaler med en strålkastare försedd med gardin. Alla fartyg i svenska flottan är utrustade med lampa och minst en signalist. Fortfarande utbildas 250 officerare och värnpliktiga årligen i optisk signalering.Flera våglängderÖverföringshastigheten är blygsamma 60-80 tecken per minut. Det kan jämföras med modern trådlös signalering med laser. Här ligger rekordet för kommersiella produkter på 2,5 gigabit per sekund, vilket motsvarar drygt 250 miljoner tecken i vanlig text. Rekordet innehas av företaget Opticalcrossing. Det ska i sin tur jämföras med kommunikation genom optiska fibrer där en enda fiber kan överföra 100 miljarder tecken per sekund (1 terabit/s) och med radiokommunikation som klarar maximalt 15 miljoner tecken per sekund (150 megabit/s).I likhet med kommunikation genom optiska fibrer kan man för trådlös optisk kommunikation enkelt öka överföringskapaciteten genom att använda fler lasrar med olika våglängder. Den fysiska gränsen sätts då av hur väl lasrar, detektorer och filter kan skilja mellan våglängderna. För kommunikation genom optiska fibrer ligger kommersiella produkter på normalt 16-32 olika våglängder med vardera 1 miljard tecken per sekund (10 gigabit/s). Fiber alltid snabbastI det stamnät av optiska fibrer som ligger över hela landet finns i princip obegränsade överföringsresurser. Men nätet är grovmaskigt. Problemet är att till ett rimligt pris kunna ansluta alla användare med det fiberoptiska nätet. Att gräva ner fiber ända fram till varje enskild användare blir för dyrt, och flera olika tekniker konkurrerar nu om att erbjuda bredband till ett överkomligt pris.Ett skäl till att trådlös optisk kommunikation kan vara ett av dessa alternativ är att tillförlitligheten nu har nått upp till rimlig nivå. Kravet för telekommunikation, som har de högsta kraven, är sammanlagt högst 5 minuters avbrott per år, ett extremt högt krav som numera kan nås med optisk trådlös kommunikation. Men då krävs att man använder högklassiga komponenter och har kort avstånd mellan sändare och mottagare. För renodlad Internetkommunikation kan man nöja sig med lägre tillgänglighet, eftersom ett avbrott inte blir lika störande som vid ett telefonsamtal.Optiskt men inte synligtTekniken för trådlös optisk kommunikation (på engelska Free Space Optics, FSO) bygger på att man skickar laserljus med våglängder som är längre än hos synligt ljus och därmed osynligt för det mänskliga ögat. Våglängden väljs i den del av spektrum där atmosfären har låg absorption, och på platser där det finns utrustning, främst lasrar, kommersiellt tillgängliga. Lämpliga våglängder är 800-900 nanometer, nära synligt ljus, samt standardvåglängder för kommunikation i optiska fibrer, 1 310 respektive 1 550 nanometer. För att kommunicera mellan två punkter krävs fri sikt. Ljuset sänds i en relativt smal stråle – några centimeter upp till några decimeter – som riktas in mot mottagaren. Störningar som leder till att ljusstrålen missar mottagaren kan avhjälpas genom att man breddar strålen. En mer tekniskt komplicerad metod är att använda ett aktivt reglersystem som riktar in sändaren mot mottagaren. På dessa sätt minskar man de störningar som uppstår t ex när byggnader och ställningar svajar i vinden.Vid temperaturskillnader i luften kan också blinkningar och fläckmönster skapa problem. Blinkningarna uppstår när skillnader i luftens brytningsindex leder till att ljuset bryts i olika riktningar, och fläckmönstret skapas av virvlar med varm luft som stiger i atmosfären.Vid Lunds tekniska högskola använder fjärranalysgruppen vid Avdelningen för atomfysik laserljus för att analysera atmosfären. Forskarna i Lund väljer dock våglängder som absorberas av atmosfären, tvärt emot trådlös optisk kommunikation. Ändå är frågeställningarna likartade, och den kunskap man bygger om hur atmosfären påverkar laserljus kan användas för att dimensionera trådlösa optiska system. Vatten största fiendenEn utrustning som fungerar perfekt över flera kilometer i torrt ökenklimat kan vara helt oduglig över ett avstånd på bara några tiotal meter i extremt tät dimma. Vädret är den enskilda faktor som har störst inverkan på hur bra trådlös optisk kommunikation fungerar. Den största tekniska utmaningen utgörs av ljusets spridning i vattenpartiklar, särskilt vid dimma, som leder till att kommunikationen försvagas tills slutligen ingen signal alls kommer igenom. Det är också här som mest forskning och utveckling pågår. En enkel väg ut ur dimman är att öka effekten. Det medför dock att säkerheten minskar och lasern blir dyrare. Högre effekt minskar dessutom laserns livslängd. En annan möjlighet är att välja våglängder kring 1 500 nanometer som är mindre känsliga för dimma. Men även här blir det dyrare komponenter. En tredje möjlighet är att använda aktiv reglering. Då kan man låta strålen vara smalare. Därmed blir förlusterna mindre och mer ljus träffar detektorn.Lasern skadar näthinnanLjuseffekten från en laser som används vid trådlös optisk kommunikation är mycket låg jämfört med en glödlampa. Men laserljus har en egenskap som gör att när ljuset når ögats lins kommer hela effekten att brytas ihop till en enda punkt på näthinnan. Energiansamlingen kan bli så stor att den skadar cellerna, vilket leder till nedsatt syn.All utrustning som säljs i dag är klassad som helt säker vid normal exponering för blotta ögat på rimligt avstånd från ljuskällan. Eftersom de flesta system är designade för montering på hustak, bortser man från möjligheten att någon kommer att stirra in i strålen direkt vid sändaren. Här är det viktigt att känna till att ögats lins och glaskropp lättare absorberar strålning med kortare våglängder, och vid 1 550 nanometer når nästan inget ljus näthinnan. Med andra ord bör man välja denna våglängd för utrustning som är avsedd att monteras i människors direkta närhet, inomhus t ex. En undersökning vars resultat nyligen lades fram pekar dock på att laserljus med kortare våglängder, kring 800 nanometer, kanske inte utlöser blinkreflexen på det sätt som förutsätts i säkerhetsföreskrifterna. Om denna undersökning visar sig stämma, betyder det att föreskrifterna för laserljus bygger på delvis felaktiga antaganden. Den officiella linjen är dock att säkerhetsklassificeringen har en betryggande marginal. Det råder osäkerhet om huruvida långvarig exponering för radiovågor i mobiltelefoner och lokala radionät påverkar kroppen. Den osäkerheten slipper man med laserljus. De få milliwatt som laserljuset bidrar med är helt försumbara jämfört med solljuset – så länge man inte ser rakt in i strålen, som sagt.LARS HERMANSSON ÄR CIVILINGENJÖR OCH ARBETAR MED OPTISK KOMMUNIKATION. HAN ÄR LEDAMOT AV OPTICAL SOCIETY OF AMERICA OCH FSO ALLIANCE.FORSKNINGEN om ATMOSFÄRSANALYS MED LASERLJUS VID LUNDS TEKNISKA HÖGSKOLA ÄR DELVIS FINANSIERAD AV VETENSKAPSRÅDET OCH EU. VID KUNGL TEKNISKA HÖGSKOLAN BEDRIVS FORSKNING VID INSTITUTIONEN FÖR MIKROELEKTRONIK KRING HALVLEDARLASRAR. DENNA FORSKNING ÄR DELVIS FINANSIERAD AV STIFTELSEN FÖR STRATEGISK FORSKNING.