Mer än 99% av vår internetdata transporteras av optiska fibrer men våra datakrav ökar, vi pressar våra befintliga fibernät till deras gränser. Ett sätt att öka fibrernas kapacitet är att överföra signaler med högre effekt, men detta undviks vanligtvis eftersom sändningar kan bli förvrängda. För att hjälpa till med detta, forskare vid Eindhovens tekniska universitet har utvecklat ett nytt matematiskt verktyg för att bättre utforska hur ljus fortplantar sig genom optiska fibrer med denna höga effekt, eller olinjärt, regimen. Detta nya verktyg kan hjälpa till med utformningen av nästa generations optiska fibernät för dataöverföring. Resultaten publiceras i Naturkommunikation .

I dag, stora mängder data sänds via optiska fibrer såsom single mode optical fiber (SSMF). Vanligtvis transporteras datasignaler med låg effekt, eller linjär, regimen. Denna typ av ljusutbredning genom fibrer kan modelleras ganska bra med Schrödinger-vågekvationen, ett nyckelelement i kvantfysiken. Men när signalintensiteten ökas för att sända signaler över längre avstånd, olinjära effekter blir ett problem. Befintliga matematiska verktyg kan inte tillhandahålla tillförlitliga lösningar för signalöverföring, så forskare har för närvarande en dålig förståelse för vad som händer med ljuset i den olinjära regimen.

"När ljus rör sig genom optiska fibrer som SSMFs i den olinjära regimen, vi måste brottas med olinjära och spridningseffekter", säger Vinícius Oliari från Eindhovens tekniska universitet. Högintensivt ljus kan ändra fiberns brytningsindex, som är ansvarig för den olinjära effekten som kallas självfasmodulering, medan dispersion är spridningen av ljus över tiden när det rör sig genom en fiber, vilket kan vara ett allvarligt problem över stora avstånd. Icke-linjära effekter kan också öka signalbandbredden, vilket skulle kunna öka kostnaderna för många fibersystem.

Att vägleda framtida designers

Oliari och Alex Alvarado från institutionen för elektroteknik, tillsammans med Erik Agrell vid Chalmers tekniska universitet i Göteborg, Sverige, har utvecklat en ny matematisk modell som exakt kan beskriva utbredningen av ljussignaler i fibrer som utsätts för olinjära effekter. "I framtiden kommer vi att behöva låga kostnader, pålitliga mottagare som kan hantera stora mängder data som överförs i den olinjära regimen. Vår modell kan hjälpa ingenjörer att designa enheter som fungerar bäst i denna regim", säger Oliari.

Deras modell tillämpar vanlig störningsteori, som kan användas för att lösa komplicerade ekvationer genom att börja med lösningen till en liknande ekvation. För att testa modellens noggrannhet, forskarna fokuserade på fiberlängder upp till 80 kilometer. "En optisk fiberlängd mellan 20 och 40 kilometer kan hittas i passiva optiska nätverk som levererar bredbandssignaler till hemmen, medan 80 kilometer är det typiska avståndet mellan förstärkare som används vid långdistansöverföring", tillägger Oliari.

Stort steg

Forskarna jämförde sin modell med tre andra modeller som används för att simulera ljusutbredning i optiska fibrer och fann att deras modell mer exakt fångade mycket olinjära och svaga dispersiva effekter på signaler.

Även om modellens tillämpning är begränsad till fall med låg spridning och fiberlängder mindre än 80 kilometer, modellen kan få långtgående konsekvenser för fibernät. Författarna påpekar också att denna modell kan tillämpas på andra system där den olinjära Schrödinger-ekvationen kan användas. "Innan vi kan börja dra fördel av den olinjära regimen, vi behöver öka vår förståelse. Denna modell är ett stort steg i den riktningen", enligt Oliari.