Millennium Prize - Emmanuel Desurvire, Randy Giles ja David Payne

EMMANUEL DESURVIRE, RANDY GILES JA DAVID PAYNE

Millennium-palkintofinalisteista Desurvire ja Giles työskentelivät Bellin laboratorioissa New Jerseyssä, USA:ssa ja Payne Southamptonin yliopistossa Iso-Britanniassa. Molemmat tutkimusryhmät kehittivät samanaikaisesti kuituvahvistimia optisen tiedonsiirron tarpeita varten. Professori Payne julkaisi aiheesta ensimmäisenä, mutta professorit Desurvire ja Giles kehittivät siitä ensimmäisenä toimivan laitteen. Näitä kuuluisia herroja on kiittäminen nopeista internet-yhteyksistä, joiden avulla ihmiset voivat viestiä keskenään ympäri maailmaa.

Emmanuel Desurvire on palannut Ranskaan ja johtaa Thalesin fysiikan tutkimusryhmää Palaiseaussa, lähellä Pariisia. "Tutkijoita on hyvin vaikea johtaa, mutta uskon onnistuvani siinä melko hyvin, koska olen itsekin ollut tutkija. On erittäin innostavaa olla tässä asemassa, inspiroimassa ja motivoimassa seuraavan sukupolven tutkijoita."

Randy Giles työskentelee yhä Bellin laboratorioissa, nykyään Alcatel-Lucentin logon alla. Giles on edistänyt lasertekniikkaa monin tavoin, mukaan lukien luomalla ensimmäisen käytännön version optisesta kytkimestä. Yksi hänen tämän hetken projekteista on ultrapieni projektori, joka perustuu kolmeen pieneen laserdiodiin.

David Payne johtaa optoelektroniikan tutkimuskeskusta (ORC) Southamptonin yliopistossa. Se on yksi maailman johtavista fotoniikan tutkimuskeskuksista. Payne on yksi SPI Lasers -yrityksen perustajista. SPI Lasers on yksi harvoista nimenomaan erbium-seostettuja kuituvahvistimia valmistavista yrityksistä maailmassa.

Lue koko esittely (PDF)
Wikipedia: Optical amplifiers (englanniksi)

Innovaatio

Erbiumilla seostetut kuituvahvistimet (erbium doped fiber amplifiers, EDFA) ovat olennainen rakennuspalikka tietoyhteiskunnan selkärangassa, tiedonsiirtoon käytettävässä maailmanlaajuisessa valokuituverkossa.

Optinen tiedonsiirto tarkoittaa informaation siirtämistä valosignaalina kuidun sisällä. Valokuidussa kulkeva signaali vaimentuu, joten signaalin siirtäminen pitkien välimatkojen päähän edellyttää signaalin vahvistamista. Ennen optisia vahvistimia valokuidussa kulkeva lasersignaali vahvistettiin sähköisesti. Tämä tarkoitti optisen signaalin vastaanottamista, muuntamista sähköiseen muotoon ja uudelleen lähettämistä eteenpäin uudella laserilla. Tämä oli epäkäytännöllistä ja sitä paitsi rajasi valokuidun vain yhden lasersignaalin lähettämiseen kerrallaan. Sähköinen vahvistin pystyy vahvistamaan vain yhtä signaalia kerrallaan, vaikka valokuidun kapasiteetti mahdollistaa useamman signaalin samanaikaisen lähettämisen. Pitkillä välimatkoilla tällainen sähköinen vahvistin tarvittiin 500-600 kilometrin välein, jotta signaali ei vaimenisi liikaa.

Optinen vahvistaminen

Valosignaalin vahvistamisen perusperiaate on tunnettu jo kauan. Kuituvahvistimen periaate on yksinkertainen: se koostuu yhdestä tai useammasta puolijohdelaserista sekä kuituun lisättävästä seosaineesta. Kun laser kohdistetaan kuituun, seostusaineena käytetyn erbiumin elektronit virittyvät alemmalta energiatasolta korkeammalle. Elektronit palaavat alempaan energiatilaan emittoimalla fotonin, joka vastaa energiatilojen erotusta. Kun energiatilat on määritelty sopivasti, erbium-ionin emittoimat fotonit ovat täsmälleen samalla aallonpituudella kuin vahvistamista tarvitseva valosignaali. Näin ns. pumppulaserista lähtevä valosignaali on voimakkaampi kuin siihen saapunut.

"Opiskelin sähkövoimatekniikka ja olin kiinnostunut hienoista suurista koneista, joissa oli paljon tehoa", kertoo Payne, joka syntyi Afrikassa, mutta muutti Southamptoniin, Iso-Britanniaan 12-vuotiaana. Payne löysi itsensä pian Southamptonin ylipistosta opiskelemasta fysiikka. "Kiinnostuin nuorena opiskelijana siitä, mitä nykyään kutsutaan fotoniikaksi. Koska olin myös insinööri, osasin rakentaa yhden maailman ensimmäisistä kuidunvetotorneista".

Erbiumilla seostettujen kuituvahvistimien synty

Southamptonin ryhmä alkoi valmistaa ja tutkia tiedonsiirtokuituja. Kuidut valmistettiin vetämällä ryhmän valmistamaa lasisauvaa. "Oli kohtalaisen helppoa lisätä lasisauvaan taika-ainetta, erbiumia. Kokeilimme kyllä monia muita alkuaineita ensin. Suurin osa perinteisessä lasertekniikassa käytettävistä laseraineista on niin sanottuja harvinaisia maametalleja - ja niitä on monta muutakin kuin erbium. Mutta ainoastaan erbium vapauttaa fotonin 1550 nm aallonpituusalueella ja se sattuu olemaan juuri tässä kuidussa juuri se aallonpituus, jolla signaali vaimenee vähiten. Tällä alueella signaalin menetys on pienin ja siksi useimmat maailman optiset tiedonsiirtojärjestelmät toimivat juuri tällä alueella. Erbium oli täydellinen aine", Payne kertoo.

Paynen tutkimusryhmä julkaisi ensimmäisen julkaisunsa, jossa käsiteltiin harvinaisilla maametalleilla seostettujen optisten kuitujen ominaisuuksia vuonna 1985. Mutta Bellin laboratorioissa työskentelevä ranskalainen fyysikko, Emmanuel Desurvire oli jo myös tutkinut näitä materiaaleja. "Ihan aluksi kuitoptiikka tarkoitti minulle suunnattujen aaltojen optiikkaa. Se oli erittäin kiinnostavaa sovellusta, joka perustui lasereihin, kristalleihin ja kuituihin. Stanfordin yliopistossa tekemieni tutkimusten jälkeen tulin Bellin laboratorioihin, kiinnostuin heti harvinaisilla maametalleilla seostettujen kuitujen sovelluksista, kuten lasereista vahvistimina", Desurvire kertoo.

Desurvire työ koski käytännön ongelmia: miten saavutetaan paras tulos? Kuinka paljon erbiumia kuituun pitää seostaa? Mikä on optimaalinen kuidun pituus?

Randy Giles, Bellin laboratorioiden laservelho, oli aina kiinnostunut kaikenlaisten optisten laitteiden valmistamisesta. Hän liittyi Desurviren ryhmään vuonna 1986 ja luotsasi laservahvistimen kehittämisestä teollisen kehityshankeen. "Suurin ero Southamptonin yliopistossa tehdyn tutkimuksen ja Bellin laboratorioissa tehdyn tutkimuksen välillä on se, että me olemme teollisuuslaboratorio. Joten hankimme välittömästi tarvittavat työvälineet ja resurssit, jota pystyimme selvittämään keksinnön merkitystä televiestinnälle. Jokainen tuntui kärsimättömänä odottavan, voitaisiinko todellista tietoa todella vahvistaa hyvälaatuisena ja häiriöttömänä", Giles kertoo.

1990-luvulla tiedonsiirto siirtyi tietoliikennesatelliiteista valokuituverkkoihin, sillä erbium-seostettujen optisten vahvistimien käyttöönotto sai aikaan valtavan kasvun tiedonsiirtokapasiteetissa. Esimerkiksi Pohjois-Atlantin ylittävä puhelinliikenne siirtyi lähes kokonaan satelliiteista valokuituihin.

Sovellukset

Tänä päivänä optisia vahvistimia käytetään valokuituverkoissa sekä maan päällä että veden alla. Pienimmät vahvistimet ovat tulitikkurasian kokoisia ja vedenalaiset vahvistimet puolestaan useamman metrin pituisia. Vähitellen valokuidut korvaavat vanhat kuparikaapelit kuluttajille tulevissa yhteyksissä.

Optisilla vahvistimilla on käyttöä myös teollisuudessa, missä käytetään suuritehoisia lasereita merkitsemiseen ja työstöön. Myös lääketieteellisissä leikkauksissa käytettävät laserit hyötyvät näistä vahvistimista.

Optisia vahvistimia valmistetaan ympäri maailmaa. Professori David Payne oli mukana perustamassa Southampton Photonicsia, yhtä harvoista nimenomaan erbium-seostettuja kuituvahvistimia valmistavista yrityksistä maailmasta.