目前人類使用的99%以上互聯網數據都是通過光纖傳輸，但隨着人們對數據需求的增加，正在將現有的光纖網絡推向極限。增加光纖容量的一種方法是以更高功率傳輸信號，但這通常是避免的，因為傳輸可能會失真。為了幫助這一點，埃因霍温科技大學科學家開發了一種新的數學工具，以更好地探索光如何在這種高功率或非線性狀態下通過光纖傳播。
這一新工具可以幫助設計下一代數據傳輸光纖網絡，其研究成果發表在《自然通訊》期刊上。今天，大量數據通過諸如單模光纖(SSMF)的光纖傳輸。通常，數據信號在低功率或線性體制中承載。這種類型的光在光纖中的傳播，可以用量子物理的關鍵元素薛定諤波動方程很好地建模。但是，當信號強度增加以傳輸更遠距離的信號時，非線性效應成為一個問題。
現有數學工具不能為信號傳輸提供可靠的解決方案，因此研究人員目前對光在非線性區域發生了什麼瞭解很少，埃因霍温理工大學的Vinícius Oliari説：當光在非線性區域通過諸如單模光纖之類的光纖時，必須與非線性和色散效應作鬥爭。高強度的光可以改變光纖折射率，這就是所謂自相位調製的非線性效應，而色散是光在光纖中移動時隨時間的擴散，這在很長的距離上可能是一個嚴重問題。
指導未來
非線性效應還會增加信號帶寬，這可能會增加許多光纖系統的成本。電氣工程系的Oliari和Alex Alvarado與瑞典哥德堡查爾默斯理工大學的Erik Agrell共同開發了一種新數學模型，該模型可以準確描述光信號在受非線性效應影響的光纖傳播，未來將需要低成本、可靠的接收器，能夠處理在非線性機制下傳輸的大量數據。本研究模型可以幫助工程師設計在這種機制下功能最好的設備。
模型應用了正則攝動理論，可以從求解類似方程開始求解複雜的方程。為了測試模型的準確性，研究人員將重點放在了長達80公里的光纖上，在向家庭提供寬帶信號的無源光網絡中，光纖長度在20到40公里之間，而長距離傳輸中使用的放大器之間的典型距離為80公里。研究人員將模型與其他三個用於模擬光纖中光傳播的模型進行了比較：
發現該研究模型更準確地捕捉到了信號的高度非線性和弱色散效應。雖然該模型的應用，僅限於低色散和光纖長度小於80公里的情況，但該模型對光纖網絡可能具有深遠的影響。該模型還可以應用於其他可以使用非線性薛定諤方程的系統。在人們開始利用非線性機制之前，研究還需要進一步理解，這個模型是朝着這個方向邁出的重要一步！
博科園｜研究/來自：埃因霍温科技大學
參考期刊《自然通訊》
DOI: 10.1038/s41467-020-14503-w
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