Lysende numerisk undersøgelse af lysudbredelse i ikke -lineære optiske fibre

Mere end 99% af vores internetdata bæres af optiske fibre, men med stigende datakrav, vi presser vores eksisterende fibernet til deres grænser. En måde at øge fiberens kapacitet på er at transmittere signaler med en højere effekt, men dette undgås normalt, da transmissioner kan blive forvrænget. For at hjælpe med dette, forskere ved Eindhoven University of Technology har udviklet et nyt matematisk værktøj til bedre at undersøge, hvordan lys formerer sig gennem optiske fibre i denne høje effekt, eller ikke -lineær, regime. Dette nye værktøj kan hjælpe med udformningen af ​​den næste generation af optiske fibernetværk til datatransmission. Resultaterne offentliggøres i Naturkommunikation .

I dag, store mængder data overføres via optiske fibre, f.eks. single mode optisk fiber (SSMF). Typisk transporteres datasignaler i lav effekt, eller lineær, regime. Denne form for lysudbredelse gennem fibre kan modelleres ganske godt ved hjælp af Schrödinger -bølge -ligningen, et centralt element i kvantefysikken. Men når signalintensiteten øges for at transmittere signaler over yderligere afstande, ikke -lineære effekter bliver et problem. Eksisterende matematiske værktøjer kan ikke levere pålidelige løsninger til signaloverførsel, så forskere har i øjeblikket en dårlig forståelse af, hvad der sker med lyset i det ikke -lineære regime.

"Når lys bevæger sig gennem optiske fibre, såsom SSMF'er i det ikke -lineære regime, vi må kæmpe med ikke -lineære og spredningseffekter ", siger Vinícius Oliari fra Eindhoven University of Technology. Højintensitetslys kan ændre fiberens brydningsindeks, som er ansvarlig for den ikke-lineære effekt kendt som selvfasemodulation, mens dispersion er spredningen af ​​lys over tid, når den bevæger sig gennem en fiber, hvilket kan være et alvorligt problem over store afstande. Ikke -lineære effekter kan også øge signalbåndbredden, hvilket kan øge omkostningerne ved mange fibersystemer.

Vejleder fremtidige designere

Oliari og Alex Alvarado fra Institut for Elektroteknik, sammen med Erik Agrell ved Chalmers University of Technology i Göteborg, Sverige, har udviklet en ny matematisk model, der præcist kan beskrive spredning af lyssignaler i fibre, der er udsat for ikke -lineære effekter. "I fremtiden har vi brug for lave omkostninger, pålidelige modtagere, der kan håndtere store mængder data, der overføres i det ikke -lineære regime. Vores model kan hjælpe ingeniører med at designe enheder, der fungerer bedst i dette regime ", siger Oliari.

Deres model anvender regelmæssig forstyrrelsesteori, som kan bruges til at løse komplicerede ligninger ved at starte med løsningen til en lignende ligning. For at teste nøjagtigheden af ​​modellen, forskerne fokuserede på fiberlængder op til 80 kilometer. "En optisk fiberlængde mellem 20 og 40 kilometer kan findes i passive optiske netværk, der leverer bredbåndssignaler til hjem, mens 80 kilometer er den typiske afstand mellem forstærkere, der bruges til langdistanceoverførsel ", tilføjer Oliari.

Stort skridt

Forskerne sammenlignede deres model med tre andre modeller, der blev brugt til at simulere lysudbredelse i optiske fibre, og fandt ud af, at deres model mere præcist fangede meget ulineære og svage spredende effekter på signaler.

Mens anvendelsen af ​​modellen er begrænset til tilfælde med lav spredning og fiberlængder mindre end 80 kilometer, modellen kan have vidtrækkende konsekvenser for fibernet. Forfatterne påpeger også, at denne model kan anvendes på andre systemer, hvor den ikke -lineære Schrödinger -ligning kan bruges. "Før vi kan begynde at drage fordel af det ikke -lineære regime, vi har brug for at forstærke vores forståelse. Denne model er et stort skridt i den retning ", ifølge Oliari.