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.

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 sähkövoimatekniikkaa 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 fysiikkaa.

“Kiinnostuin nuorena opiskelijana siitä, mitä nykyään kutsutaan fotoniikaksi. Koska olin myös insinööri, osasin rakentaa yhden maailman ensimmäisistä kuidunvetotorneista.”

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 kyseisessä 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 myös tutkinut näitä materiaaleja.

“Ihan aluksi kuituoptiikka tarkoitti minulle suunnattujen aaltojen optiikkaa. Se oli erittäin kiinnostava sovellus, 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.

Desurviren 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 ollut 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, jotta 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.

Radioliikenteeseen sisältyy useita haasteita. Doppler-ilmiön takia lähettimen lähestyessä kohdetta signaalin kantotaajuus kasvaa ja lähettimen liikkuessa poispäin kantotaajuus laskee. Jos lähetin ei liiku vakionopeudella, kantotaajuuden muutosten seuraaminen on vaikeaa, ellei mahdotonta. Toinen haaste liittyy signaalin erotteluun kohinasta, jos lähetin on kaukana (kuten avaruusaluksessa) tai jos lähetin on pienitehoinen (kuten matkapuhelimissa). Viterbin kehittämä algoritmi ratkaisi molemmat ongelmat.

Viterbin algoritmi on matemaattinen kaava, joka mahdollistaa selkeän ja lähes virheettömän radioviestinnän.

Käytettäessä Viterbin menetelmää signaalin jokaista bittiä (0 tai 1) vastaa vähintään neljä tai kahdeksan koodisymbolia. Vastaanottimeen saapuva signaali ei ole siten puhdas ykkösten ja nollien jono, vaan sarja koodisymboleja, joista alkuperäinen informaatio puretaan. Matkan varrella osa yksittäisistä biteistä voi vääristyä tai kadota, mutta koodisymbolien avulla puuttuvat osat voidaan päätellä hyvin suurella todennäköisyydellä. Vastaanottamissa oleva dekooderi vertaa jokaisen bitin todennäköisyyttä sen viereisiin bitteihin. Olennaista on vastaanotettavan informaation aikasarja, jossa jokainen saapuva bittisarja merkitään saapumisjärjestykseen.

Periaate on yksikertainen, mutta vaatii paljon laskentatehoa. Kun Andrew Viterbi julkaisi algoritminsa 1960-luvulla, tietokoneiden laskentateho ei riittänyt dekoodaamiseen tarvittavien laskelmien tekoon reaaliajassa. Tuohon aikaan kukaan ei osannut kuvitella yleistä sovellusta algoritmille.

Jokaisen ihmisen kaikkien solujen tumassa on DNA:ta eli deoksiribonukleiinihappoa. DNA sijaitsee pääosin kromosomeissa ja muodostaa kaksoiskierteisen juosteen. DNA on solun perinnöllistä informaatiota sisältävä ja siirtävä aine, joka muodostuu nukleotideistä. Nukleotidien järjestystä DNA:ssa kutsutaan sekvenssiksi.

DNA-sekvenssit ovat kaikilla ihmisillä hyvin samankaltaisia, mutta DNA:ssa on kuitenkin alueita, joilla esiintyy periytyvää muuntelua. Nämä muuntelua sisältävät alueet ja niiden muodot voidaan tunnistaa. Jokaisen ihmisen DNA on yksilöllista lukuun ottamatta identtisiä kaksosia.

Alec Jeffreysin merkittävin löytö oli, että ihmisen DNA:ssa on alueita, jotka vaihtelevat yksilöiden välillä huomattavasti. Jeffreys kutsui näitä alueita minisatelliiteiksi. Näillä alueilla esiintyi noin 10-100 emäksen pituisia toistojaksoja. Jeffreys huomasi myös, että yksilön minisatelliiteissa toistuu sama lyhyt DNA-sekvenssimotiivi, jonka avulla DNA:sta voidaan löytää useita minisatelliitteja samaan aikaan. Näistä minisatelliiteista voidaan koostaa hyvin yksilöllinen DNA-tunniste, jota kutsutaan DNA-sormenjäljeksi.

Henkilön DNA-sormenjäljen laatimista varten on ensin erotettava DNA esimerkiksi veren, syljen, siemennesteen tai muun eritteen tai kudoksen soluista. DNA:ta voidaan kerätä myös tallennetuista siemenneste- ja kudosnäytteistä, biologisista sukulaisista tai ruumiista.

DNA-sormenjäljen laatimiseen käytetään perinteisesti ns. Southern blot -hybridisaatiomenetelmää. Jeffreys kehitti kaksi erillistä koetinta hybridisaatiomenetelmässä käytettäväksi. Toinen tunnistaa useamman minisatelliitin samanaikaisesti ja luo niiden perusteella DNA-tunnisteen, jota kutsutaan myös DNA-sormenjäljeksi. Toinen koetin tunnistaa vain yhden minisatelliitin kerrallaan ja luo sen perusteella DNA-profiilin.

Alkuperäinen DNA-tunnisteen laatimismenetelmä oli hidas ja siihen tarvittiin suuria määriä korkealaatuista DNA:ta. Tänä päivänä polymeraasiketjureaktion (PCR) avulla voidaan monistaa lyhytkin pätkä DNA:ta ja DNA-tunnisteen laatimisessa analysoidaan DNA-osia, joissa on lyhyitä, 1-4 emäksen pituisia toistojaksoja (short tandem repeats, STR) eli mikrosatelliitteja.