目前人類使用的99%以上互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)都是通過光纖傳輸，但隨著人們對數(shù)據(jù)需求的增加，正在將現(xiàn)有的光纖網(wǎng)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，埃因霍溫科技大學科學家開發(fā)了一種新的數(shù)學工具，以更好地探索光如何在這種高功率或非線性狀態(tài)下通過光纖傳播。

這一新工具可以幫助設計下一代數(shù)據(jù)傳輸光纖網(wǎng)絡，其研究成果發(fā)表在《自然通訊》期刊上。今天，大量數(shù)據(jù)通過諸如單模光纖(SSMF)的光纖傳輸。通常，數(shù)據(jù)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(xiàn)有數(shù)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(qū)域發(fā)生了什么了解很少，埃因霍溫理工大學的Vinícius Oliari說：當光在非線性區(qū)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斗爭。高強度的光可以改變光纖折射率，這就是所謂自相位調(diào)制的非線性效應，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(tǒng)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(fā)了一種新數(shù)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?shù)拇罅繑?shù)據(jù)。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復雜的方程。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(wǎng)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于模擬光纖中光傳播的模型進行了比較：

發(fā)現(xiàn)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，僅限于低色散和光纖長度小于80公里的情況，但該模型對光纖網(wǎng)絡可能具有深遠的影響。該模型還可以應用于其他可以使用非線性薛定諤方程的系統(tǒng)。在人們開始利用非線性機制之前，研究還需要進一步理解，這個模型是朝著這個方向邁出的重要一步！

博科園｜研究/來自：埃因霍溫科技大學

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-020-14503-w

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