Baanbrekend onderzoek van de Universiteit van Texas in Arlington en de Universiteit van Vermont zou kunnen leiden tot een drastische verlaging van de kosten en het energieverbruik van snelle internetverbindingen.

Niet-lineair-optische effecten, zoals intensiteitsafhankelijke brekingsindex, kan worden gebruikt om gegevens duizenden keren sneller te verwerken dan wat elektronisch kan worden bereikt. Een dergelijke verwerking heeft, tot nu, werkte slechts voor één optische straal tegelijk omdat de niet-lineair-optische effecten ook ongewenste inter-beam interactie veroorzaken, of overspraak, wanneer meerdere lichtstralen aanwezig zijn.

Een artikel gepubliceerd in het prestigieuze Natuurcommunicatie logboek, door de onderzoeksgroep van Michael Vasilyev, een professor elektrotechniek aan de UTA, in samenwerking met Taras I. Lakoba, een professor wiskunde aan de UVM, gedetailleerde een experimentele demonstratie van een optisch medium waarin meerdere lichtstralen hun eigen vormen kunnen autocorrigeren zonder elkaar te beïnvloeden.

Dit werk, gefinancierd door de National Science Foundation, maakt gelijktijdige niet-lineair-optische verwerking van meerdere lichtstralen door een enkel apparaat mogelijk zonder ze in elektrische vorm om te zetten, de weg vrijmaken voor deze technologie om zijn volledige multi-Terabit per seconde potentieel te bereiken, wat resulteert in goedkopere en energiezuinigere high-speed internetcommunicatie.

Momenteel, om de ruis te elimineren die wordt verzameld tijdens de voortplanting van licht in optische communicatieverbindingen, telecomcarriers moeten hun toevlucht nemen tot frequente opto-elektronische regeneratie, waar ze optische signalen omzetten in elektrische via snelle fotodetectoren, verwerk ze met op silicium gebaseerde circuits, en zet dan de elektrische signalen weer om in optisch, met behulp van lasers gevolgd door elektro-optische modulatoren. Aangezien elke optische vezel meer dan honderd verschillende signalen op verschillende golflengten kan dragen, bekend als golflengteverdelingsmultiplexing (WDM), een dergelijke opto-elektronische regeneratie moet voor elke golflengte afzonderlijk worden uitgevoerd, regeneratoren groot maken, dure en inefficiënte stroomverbruikers.

Een aantrekkelijk alternatief hiervoor is het direct verwerken van het optische signaal, zonder het om te zetten naar elektrisch en terug. Vooral, de snelheid van het licht dat zich voortplant in een transparant medium kan enigszins worden gewijzigd door een verandering in de lichtintensiteit. Dit is een manifestatie van een niet-lineair-optisch effect dat bekend staat als "zelffasemodulatie" of SPM. Als licht zowel signaal als ruis bevat, de SPM kan helpen het signaal van ruis te verwijderen door de ruisenergie te verstrooien in frequenties ver buiten de signaalband, van waaruit de ruis gemakkelijk kan worden verwijderd door een filter. Wanneer toegepast op licht dat nuttige gegevens bevat, deze SPM-enabled ruisonderdrukking wordt "volledig optische regeneratie, " wat kan resulteren in optische automatische correctie van de signalen die honderd keer snellere datasnelheden dragen dan wat elektronisch kan worden verwerkt.

Echter, de adoptie van de volledig optische regeneratie in communicatiesystemen werd belemmerd door het onvermogen om met WDM-signalen te werken. Dit komt omdat in de aanwezigheid van meerdere signaalbundels, of WDM-kanalen, de gewenste SPM gaat altijd gepaard met twee ongewenste effecten:cross-phase modulatie, waarbij de intensiteit van een kanaal de voortplantingssnelheid van een ander kanaal wijzigt, en vier-golf mengen, waarbij interactie van meerdere kanalen leidt tot interferentie met andere kanalen.

In hun gepubliceerde artikel, Vasilyev en collega's rapporteren experimentele demonstratie van een nieuw niet-lineair-optisch medium dat door groepen wordt beheerd, waar een sterk SPM-effect wordt bereikt zonder dergelijke interferentie tussen kanalen. Het splitsen van een conventioneel niet-lineair medium, zoals een optische vezel, in verschillende korte secties gescheiden door speciale periodieke groepsvertragingsfilters levert een medium op waarin alle frequentiecomponenten van hetzelfde WDM-kanaal met dezelfde snelheid reizen, zorgen voor een sterke SPM. Verschillende WDM-kanalen reizen met verschillende snelheden, die elke interactie tussen kanalen drastisch onderdrukt.

"Ons nieuwe niet-lineaire medium heeft ons in staat gesteld om gelijktijdige volledig optische regeneratie van 16 WDM-kanalen door een enkel apparaat te demonstreren, en dit aantal is alleen beperkt door de logistieke beperkingen van ons laboratorium", zei Vasilyev. "Dit experiment opent de mogelijkheden om het aantal kanalen op te schalen tot meer dan honderd zonder de kosten te verhogen, alles in een apparaat ter grootte van een boek."

De meerkanaalsregenerator zou in de toekomst zelfs kunnen krimpen tot de grootte van een luciferdoosje als het niet-lineair-optische medium op een microchip zou kunnen worden geïmplementeerd.

"Deze doorbraak is een voorbeeld van hoe UTA-onderzoekers een positieve invloed kunnen hebben op het fysieke en economische welzijn van de samenleving op het gebied van datagestuurde ontdekking en wereldwijde milieu-impact, thema's in UTA's Strategisch Plan 2020 Bold Solutions | Wereldwijde impact, " zei Jonathan Bredow, hoogleraar en voorzitter van de afdeling Electrical Engineering in UTA's College of Engineering.

"Eerdere pogingen om niet-lineair-optische verwerking te implementeren, zoals regeneratie, slaagden er niet in om een ​​impact te maken omdat er geen voordeel was om ze te gebruiken ten opzichte van elektrische signalen vanwege het onvermogen om meer dan één kanaal te gebruiken. Nu de groep van Dr. Vasilyev dat obstakel heeft overwonnen, er zijn enorme nieuwe mogelijkheden voor snellere, efficiëntere verzending van berichten, ' zei Bredow.