Genombrottsforskning från University of Texas i Arlington och University of Vermont kan leda till en dramatisk minskning av kostnader och energiförbrukning för höghastighetsinternet.

Olinjära optiska effekter, såsom intensitetsberoende brytningsindex, kan användas för att behandla data tusentals gånger snabbare än vad som kan uppnås elektroniskt. Sådan behandling har, tills nu, fungerade bara för en optisk stråle åt gången eftersom de olinjära optiska effekterna också orsakar oönskad interstråleinteraktion, eller överhörning, när flera ljusstrålar är närvarande.

En artikel publicerad i prestigefyllda Naturkommunikation tidning, av Michael Vasilyevs forskargrupp, elektrotekniker vid UTA, i samarbete med Taras I. Lakoba, matematikprofessor vid UVM, detaljerade en experimentell demonstration av ett optiskt medium där flera ljusstrålar kan autokorrigera sina egna former utan att påverka varandra.

Detta jobb, finansierad av National Science Foundation, möjliggör samtidig olinjär-optisk behandling av flera ljusstrålar av en enda enhet utan att omvandla dem till elektrisk form, öppnar vägen för denna teknik att nå sin fulla potential med flera Terabit per sekund, vilket resulterar i billigare och mer energieffektiv höghastighetsinternetkommunikation.

För närvarande, för att eliminera det buller som ackumuleras under ljusutbredning i optiska kommunikationslänkar, telekombärare måste tillgripa frekvent optoelektronisk regenerering, där de konverterar optiska signaler till elektriska via snabba fotodetektorer, bearbeta dem med kiselbaserade kretsar, och sedan konvertera de elektriska signalerna tillbaka till optiska, med hjälp av lasrar följt av elektrooptiska modulatorer. Eftersom varje optisk fiber kan bära över hundra olika signaler vid olika våglängder, känd som våglängdsmultiplexering (WDM), en sådan optoelektronisk regenerering måste göras separat för varje våglängd, gör regeneratorer stora, dyra och ineffektiva maktkonsumenter.

Ett attraktivt alternativ till detta är att bearbeta den optiska signalen direkt, utan att göra om det till el och tillbaka. Särskilt, ljusets hastighet som sprids i ett transparent medium kan modifieras något genom en förändring av ljusintensiteten. Detta är en manifestation av en olinjär-optisk effekt som kallas "självfasmodulering" eller SPM. Om ljuset innehåller både signal och brus, SPM kan hjälpa till att rensa signalen från brus genom att sprida brusenergin till frekvenser långt utanför signalbandet, varifrån bullret enkelt kan avlägsnas med ett filter. När den appliceras på ljus som innehåller användbar data, denna SPM-aktiverade brusavlägsnande operation kallas "all-optisk regenerering, "vilket kan resultera i optisk autokorrektion av signalerna som bär hundra gånger snabbare datahastigheter än vad som kan bearbetas elektroniskt.

Dock, antagandet av den helt optiska regenereringen i kommunikationssystem har hindrats av dess oförmåga att arbeta med WDM-signaler. Detta beror på att i närvaro av flera signalstrålar, eller WDM -kanaler, den önskade SPM åtföljs alltid av två oönskade effekter:tvärfasmodulering, där en kanals intensitet modifierar utbredningshastigheten för en annan kanal, och blandning med fyra vågor, där interaktion mellan flera kanaler leder till störningar med andra kanaler.

I deras publicerade artikel, Vasilyev och kollegor rapporterar experimentell demonstration av ett nytt gruppfördröjningshanterat olinjärt optiskt medium, där stark SPM-effekt uppnås utan sådan interkanalstörning. Dela upp ett konventionellt olinjärt medium, såsom en optisk fiber, i flera korta sektioner åtskilda av särskilda periodiska gruppfördröjningsfilter ger ett medium där alla frekvenskomponenter i samma WDM-kanal rör sig med samma hastighet, säkerställa stark SPM. Olika WDM -kanaler reser med olika hastigheter, som dramatiskt undertrycker all interkanals interaktion.

"Vårt nya olinjära medium har gjort det möjligt för oss att visa samtidig all-optisk regenerering av 16 WDM-kanaler med en enda enhet, och detta antal har bara begränsats av de logistiska begränsningarna i vårt laboratorium "sa Vasilyev." Detta experiment öppnar möjligheterna att skala antalet kanaler till över hundra utan att öka kostnaden, allt i en bokstorlek. "

Flerkanalig regeneratorn kan till och med potentiellt krympa till storleken på en tändsticksask i framtiden om det olinjära optiska mediet skulle kunna implementeras på ett mikrochip.

"Detta genombrott är ett exempel på hur UTA-forskare kan påverka samhällets fysiska och ekonomiska välbefinnande positivt på området för datadriven upptäckt och global miljöpåverkan, teman i UTA:s strategiska plan 2020 Djärva lösningar | Global påverkan, "sa Jonathan Bredow, professor och ordförande för Institutionen för elektroteknik i UTA:s tekniska högskola.

"Tidigare ansträngningar att implementera olinjär-optisk bearbetning, såsom regenerering, misslyckades med att påverka eftersom det inte fanns någon fördel att använda dem framför elektriska signaler på grund av oförmågan att använda mer än en kanal. Nu när Dr Vasilyevs grupp har övervunnit detta hinder, det finns enorma nya möjligheter för snabbare, effektivare överföring av meddelanden, Sa Bredow.