Discovery kan reducere omkostningerne, energi til højhastighedsinternetforbindelser

Banebrydende forskning fra University of Texas i Arlington og University of Vermont kan føre til en dramatisk reduktion i omkostningerne og energiforbruget ved højhastighedsinternetforbindelser.

Ikke-lineære optiske effekter, såsom intensitetsafhængig brydningsindeks, kan bruges til at behandle data tusindvis af gange hurtigere, end hvad der kan opnås elektronisk. En sådan behandling har, indtil nu, fungerede kun for én optisk stråle ad gangen, fordi de ikke-lineære optiske effekter også forårsager uønsket inter-stråle interaktion, eller krydstale, når der er flere lysstråler til stede.

En artikel offentliggjort i den prestigefyldte Naturkommunikation tidsskrift, af forskergruppen af ​​Michael Vasilyev, en elektroingeniør professor ved UTA, i samarbejde med Taras I. Lakoba, en matematik professor ved UVM, detaljerede en eksperimentel demonstration af et optisk medium, hvor flere lysstråler kan autokorrigere deres egne former uden at påvirke hinanden.

Dette arbejde, finansieret af National Science Foundation, muliggør samtidig ikke-lineær-optisk behandling af flere lysstråler af en enkelt enhed uden at konvertere dem til elektrisk form, åbner vejen for, at denne teknologi kan nå sit fulde multi-terabit per sekund potentiale, resulterer i billigere og mere energieffektiv højhastighedsinternetkommunikation.

I øjeblikket, at eliminere støjen akkumuleret under lysudbredelse i optiske kommunikationsforbindelser, telekommunikationsselskaber må ty til hyppig optoelektronisk regenerering, hvor de konverterer optiske signaler til elektriske via hurtige fotodetektorer, behandle dem med silicium-baserede kredsløb, og derefter konvertere de elektriske signaler tilbage til optiske, ved hjælp af lasere efterfulgt af elektro-optiske modulatorer. Da hver optisk fiber kan bære over hundrede forskellige signaler ved forskellige bølgelængder, kendt som bølgelængdedelingsmultipleksing (WDM), en sådan optoelektronisk regenerering skal udføres separat for hver bølgelængde, at gøre regeneratorer store, dyre og ineffektive strømforbrugere.

Et attraktivt alternativ til dette er at behandle det optiske signal direkte, uden at konvertere den til elektrisk og tilbage. I særdeleshed, hastigheden af ​​lys, der udbreder sig i et gennemsigtigt medium, kan ændres lidt ved en ændring i lysintensiteten. Dette er en manifestation af en ikke-lineær optisk effekt kendt som "selvfasemodulation" eller SPM. Hvis lys indeholder både signal og støj, SPM kan hjælpe med at rense signalet fra støj ved at sprede støjenergien til frekvenser et godt stykke uden for signalbåndet, hvorfra støjen let kan fjernes med et filter. Når det anvendes på lys, der indeholder nyttige data, denne SPM-aktiverede støjfjernelsesoperation kaldes "al-optisk regenerering, ", hvilket kan resultere i optisk autokorrektion af signalerne, der bærer hundrede gange hurtigere datahastigheder end hvad der kan behandles elektronisk.

Imidlertid, vedtagelsen af ​​den helt optiske regenerering i kommunikationssystemer er blevet hindret af dens manglende evne til at arbejde med WDM-signaler. Dette skyldes, at i nærværelse af flere signalstråler, eller WDM-kanaler, den ønskede SPM er altid ledsaget af to uønskede effekter:tværfasemodulation, hvor en kanals intensitet ændrer udbredelseshastigheden for en anden kanal, og fire-bølge blanding, hvor interaktion af flere kanaler fører til interferens med andre kanaler.

I deres publicerede artikel, Vasilyev og kolleger rapporterer om eksperimentel demonstration af et nyt gruppe-forsinkelsesstyret ikke-lineært optisk medium, hvor en stærk SPM-effekt opnås uden sådan inter-kanal interferens. Ved at opdele et konventionelt ikke-lineært medium, såsom en optisk fiber, i flere korte sektioner adskilt af specielle periodiske gruppeforsinkelsesfiltre giver et medium, hvor alle frekvenskomponenter i den samme WDM-kanal bevæger sig med samme hastighed, sikre stærk SPM. Forskellige WDM-kanaler rejser med forskellige hastigheder, som dramatisk undertrykker enhver inter-kanal interaktion.

"Vores nye ikke-lineære medium har gjort det muligt for os at demonstrere samtidig optisk regenerering af 16 WDM-kanaler med en enkelt enhed, og dette antal er kun blevet begrænset af de logistiske begrænsninger i vores laboratorium," sagde Vasilyev. "Dette eksperiment åbner muligheder for at skalere antallet af kanaler til over hundrede uden at øge omkostningerne, alt sammen i en enhed i bogstørrelse."

Multi-kanal regeneratoren kunne endda potentielt krympe til størrelsen af ​​en tændstikæske i fremtiden, hvis det ikke-lineære optiske medium kunne implementeres på en mikrochip.

"Dette gennembrud er et eksempel på, hvordan UTA-forskere kan påvirke samfundets fysiske og økonomiske velfærd positivt inden for datadrevet opdagelse og global miljøpåvirkning, temaer i UTA's Strategic Plan 2020 Bold Solutions | Global indflydelse, " sagde Jonathan Bredow, professor og formand for Institut for Elektroteknik i UTAs Ingeniørhøjskole.

"Tidligere bestræbelser på at implementere ikke-lineær-optisk behandling, såsom regenerering, ikke lykkedes, fordi der ikke var nogen fordel ved at anvende dem i forhold til elektriske signaler på grund af manglende evne til at bruge mere end én kanal. Nu hvor Dr. Vasilyevs gruppe har overvundet den forhindring, der er enorme nye muligheder for hurtigere, mere effektiv transmission af beskeder, " sagde Bredow.