Bemannade färder till planeten Mars har länge varit en vision för rymdforskare. På lite sikt planeras bemannade baser på planeten av såväl NASA, Europeiska rymdorganisationen, ESA, och det privatägda SpaceX. Detta kommer dock att kräva kommunikationslösningar med högre kapacitet än dagens. Särskilt har överföring av data från rymdsonderna vid Mars till jorden pekats ut som en flaskhals.

I dag används radiovågor för att överföra information i rymden. Något som innebär låga hastigheter i överföringen av data. Överföringskapaciteten kan vara så låg som runt 30 kilobit per sekund från Mars, vilket kan jämföras med de cirka 60 megabit per sekund som är snitthastigheten av ett svenskt bredband. Men skulle laserlänkar användas istället så kan de ge en dramatisk ökning i hastighet.

Ny tillämpning av optisk förstärkare

Peter Andrekson har sedan tidigare utvecklat en optisk förstärkare som kan förbättra dataöverföringen i fiberoptiska nät. Sedan några år tillbaka har han med sin forskargrupp vidareutvecklat tekniken för att även fungera i en fri rymd. 

I en artikel i Nature Light Science & Applications 2020 demonstrerades hur tekniska lösningen kan se ut. 

– Detta är det bästa sättet att kommunicera över långa avstånd. Det är en svår uppgift eftersom förlusterna är höga och du har en begränsad effekt som du kan sända iväg. Det som fundamentalt sätter gränserna är mottagarens känslighet, det vill säga hur mycket ljus du behöver ta emot för att avkoda informationen, säger Peter Andrekson. 

Andreksons optiska förstärkare har utvecklats de senaste tio åren i labbet vid Chalmers. Den grundläggande teorin fanns redan under tidigt 1980-tal men ingen hade tidigare testat den på allvar. 

– Vi nådde en tillräcklig förståelse år 2011 för att kunna demonstrera systemet. Därefter har vi använt förstärkaren för att öka prestandan i olika typer av fiberoptiska system. Det är först de senaste fyra åren som vi har fokuserat mer på rymdtillämpningen, säger Peter Andrekson. 

"Wallenberg Scholar ger mig stora möjligheter att satsa långsiktigt och samtidigt brett, och att ta risker som andra anslag inte medger."

Förstärkning utan brus

Under slutet av 1980-talet utvecklades de optiska förstärkare som har gjort det möjligt att täcka världen med ett fiberoptiskt nätverk som är internets ryggrad. Men tekniken begränsas av att den skapar brus, samtidigt som ickelinjära effekter i fibern förvanskar signalen. Peter Andreksons optiska förstärkare löser båda dessa problem.

Förenklat så kan tekniken beskrivas som att signalen delas upp i två olika delar som sedan fås att samverka med varandra och därmed skapa en förstärkning utan att generera extra brus. Av ljusets olika egenskaper av intensitet, frekvens, polarisation och fas så är det ljusets fas som påverkas och därför kallas också tekniken för faskänslig förstärkare.

– När vi kan kontrollera den relativa fasen mellan olika våglängder så kommer de att interferera i förstärkaren på ett sätt som gör att ett plus ett blir fyra. Med en kontroll av den relativa fasen så adderas heller inget brus, säger Peter Andrekson. 

Nästa steg en miniatyrisering

Hittills har den optiska förstärkaren krävt tillgång till flera hundra meter optisk fiber som lindats kring en trumma. Men tillsammans med kollegor vid Chalmers har nu Andreksons grupp utvecklat en ny plattform där ett litet chip som mäter cirka två centimeter kan rymma åtta enskilda förstärkare. 

I chipet används kiselnitrid för att bygga upp små spiraler som kan agera vågledare i miniatyrformat. Chipet har mycket låga förluster och förmågan att förstärka ljus vid många våglängder vilket öppnar för flera olika tillämpningar. Det skulle kunna förbättra dagens utrustning för spektroskopi eller användas för satellitövervakning av jorden med hjälp av avancerade LIDAR-system. Miniatyriseringen av förstärkaren är också en förutsättning för att tekniken ska kunna användas i satelliter eller rymdsonder.

Redan idag har NASA, i samarbete med MIT, sin egen lösning för optisk rymdkommunikation. Problemet med deras teknik är att den kräver supraledande nanotrådar som kyls ned till 2-3 Kelvin, påpekar Peter Andrekson.

– Vår lösning kan användas i rumstemperatur och har redan i dag en bättre känslighet än deras. Vi behöver bara en foton eller ljuspartikel per informationsbit, vilket är en känslighet som ingen annan lyckats visa, säger han. 

Peter Andrekson har sedan sin grundutbildning haft Chalmers som huvudsakliga bas för sin forskning. I början av 1990-talet var han dock en del av Bell Labs i USA och deltog i utvecklingen av de erbiumdopade förstärkarna. Samtidigt bedrev han en egen forskning kring optiska fenomen. Väl tillbaka i Sverige knoppades en del av forskningen av i företaget Picosolve som då tillverkade världens snabbaste oscilloskop.

– En av mina drivkrafter är att se till att våra forskningsresultat leder till verklig nytta och ett sätt är kommersialisering. Samtidigt är jag väldigt utforskande till min natur vilket gör att anslag som Wallenberg Scholar är så viktiga för att nå framåt, säger han. 

Text Magnus Trogen Pahlén
Bild Henrik Sandsjö