Meer dan 99% van onze internetgegevens wordt vervoerd door optische vezels, maar met de toenemende vraag naar gegevens, we drijven onze bestaande glasvezelnetwerken tot het uiterste. Een manier om de capaciteit van vezels te vergroten, is door signalen met een hoger vermogen uit te zenden, maar dit wordt meestal vermeden omdat transmissies vervormd kunnen raken. Om hierbij te helpen, Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven hebben een nieuw wiskundig hulpmiddel ontwikkeld om beter te onderzoeken hoe licht zich voortplant door optische vezels met dit hoge vermogen, of niet-lineair, regime. Deze nieuwe tool kan helpen bij het ontwerpen van de volgende generatie glasvezelnetwerken voor datatransmissie. Resultaten worden gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Vandaag, grote hoeveelheden gegevens worden verzonden via optische vezels zoals de single-mode optische vezel (SSMF). Typisch worden datasignalen gedragen in het lage vermogen, of lineair, regime. Dit type lichtvoortplanting door vezels kan vrij goed worden gemodelleerd met behulp van de Schrödinger-golfvergelijking, een sleutelelement van de kwantumfysica. Maar wanneer de signaalintensiteit wordt verhoogd om signalen over grotere afstanden te verzenden, niet-lineaire effecten worden een probleem. Bestaande wiskundige hulpmiddelen kunnen geen betrouwbare oplossingen bieden voor signaaloverdracht, dus onderzoekers hebben momenteel een slecht begrip van wat er met licht gebeurt in het niet-lineaire regime.

"Wanneer licht door optische vezels zoals SSMF's beweegt in het niet-lineaire regime, we moeten kampen met niet-lineaire en dispersie-effecten", zegt Vinícius Oliari van de Technische Universiteit Eindhoven. Licht met hoge intensiteit kan de brekingsindex van de vezel veranderen, die verantwoordelijk is voor het niet-lineaire effect dat bekend staat als zelffasemodulatie, terwijl dispersie de verspreiding van licht in de tijd is terwijl het door een vezel beweegt, wat over grote afstanden een serieus probleem kan zijn. Niet-lineaire effecten kunnen ook de signaalbandbreedte vergroten, wat de kosten van veel vezelsystemen zou kunnen verhogen.

Toekomstige ontwerpers begeleiden

Oliari en Alex Alvarado van de afdeling Elektrotechniek, samen met Erik Agrell aan de Chalmers University of Technology in Göteborg, Zweden, hebben een nieuw wiskundig model ontwikkeld dat de voortplanting van lichtsignalen in vezels die onderhevig zijn aan niet-lineaire effecten nauwkeurig kan beschrijven. "In de toekomst zullen we goedkope, betrouwbare ontvangers die grote hoeveelheden gegevens kunnen verwerken die in het niet-lineaire regime worden verzonden. Ons model kan ingenieurs helpen om apparaten te ontwerpen die het beste functioneren in dit regime", zegt Oliari.

Hun model past de reguliere verstoringstheorie toe, die kan worden gebruikt om gecompliceerde vergelijkingen op te lossen door te beginnen met de oplossing van een vergelijkbare vergelijking. Om de nauwkeurigheid van het model te testen, de onderzoekers richtten zich op vezellengtes tot 80 kilometer. "Een glasvezellengte tussen de 20 en 40 kilometer vind je in passieve optische netwerken die breedbandsignalen leveren aan woningen, terwijl 80 kilometer de typische afstand is tussen versterkers die worden gebruikt bij transmissie over lange afstand", voegt Oliari toe.

grote stap

De onderzoekers vergeleken hun model met drie andere modellen die werden gebruikt om lichtvoortplanting in optische vezels te simuleren en ontdekten dat hun model zeer niet-lineaire en zwakke dispersieve effecten op signalen nauwkeuriger vastlegde.

Hoewel de toepassing van het model beperkt is tot gevallen met een lage dispersie en vezellengtes van minder dan 80 kilometer, het model kan verstrekkende gevolgen hebben voor glasvezelnetwerken. De auteurs wijzen er ook op dat dit model kan worden toegepast op andere systemen waar de niet-lineaire Schrödinger-vergelijking kan worden gebruikt. "Voordat we kunnen profiteren van het niet-lineaire regime, we moeten ons begrip vergroten. Dit model is een grote stap in die richting", volgens Oliari.