Verhelderende numerieke studie naar transport van licht door non-lineaire glasvezels
Een nieuw numeriek hulpmiddel dat ingenieurs kan helpen bij het ontwerpen van toekomstige glasvezelnetwerken.
Meer dan 99% van ons internetverkeer verloopt via glasvezel, maar door de alsmaar groeiende databehoefte komt de maximale capaciteit van ons glasvezelnetwerk inmiddels in zicht. Een manier om de capaciteit van glasvezels te verhogen is om signalen met een hoger vermogen te versturen, maar dit wordt meestal vermeden omdat de transmissie daardoor verstoord kan worden. Om dit probleem aan te pakken hebben onderzoekers aan de Technische Universiteit Eindhoven een wiskundig model ontwikkeld om beter te kunnen bepalen hoe licht zich voorplant door optische vezels in dit non-lineaire, hoogvermogen gebied. Dit nieuwe model zou het ontwerp van nieuwe optische zender-ontvangers mogelijk kunnen maken. De resultaten van het onderzoek werden gepubliceerd in het wetenschappelijk tijdschrift Nature Communications.
Grote datastromen verlopen tegenwoordig via optische vezels zoals de ‘single-mode optical fiber’ (SSMF). Dataoverdracht bij deze vezels vindt standaard plaats in het laagvermogen, of non-lineaire gebied. Dit type lichttransport door vezels kan vrij eenvoudig gemodelleerd worden met de Schrödinger golfvergelijking, een basiselement van de kwantumfysica. Maar wanneer de signaalintensiteit toeneemt bij het verzenden van data over grotere afstanden, treden non-lineaire effecten op. De bestaande wiskundige modellen bieden geen betrouwbare oplossingen voor de signaaloverdracht, en daarom weten onderzoekers op dit moment niet goed hoe licht in optische kabels zich gedraagt in het non-lineaire gebied.
“Wanneer licht zich door optische vezels zoals SSMF's beweegt in het non-lineaire gebied, worden we geconfronteerd met non-lineaire en dispersie effecten”, zegt Vinícius Oliari, promovendus aan de TU/e. Hoge lichtintensiteit kan de brekingsindex van de vezel veranderen, wat de oorzaak is van het non-lineaire effect dat bekend staat als self-phase modulation. Dispersie betreft het zich uitspreiden van licht over de tijd terwijl het zich voortplant door de vezel, wat serieuze problemen kan opleveren bij grote afstanden. Bovendien kunnen non-lineaire effecten leiden tot een grote signaalbandbreedte, waardoor de kosten van glasvezelnetwerken mogelijk toenemen.
Toekomstige ontwerpers de weg wijzen
Oliari en Alex Alvarado, beiden werkzaam bij de faculteit Electrical Engineering, hebben samen met Erik Agrell van de technische universiteit Chalmers uit het Zweedse Göteborg een nieuw wiskundig model ontwikkeld dat nauwkeurig kan beschrijven hoe lichtsignalen zich voortplanten in vezels als ze onderhevig zijn aan non-lineaire effecten. “In de toekomst zal er behoefte zijn aan goedkope, betrouwbare ontvangers die een grote hoeveelheid dataverkeer in het non-lineaire gebeid kunnen verwerken. Ons model kan bijdragen aan de ontwikkeling van apparaten die het best functioneren in dit gebied”, zegt Oliari.
Hun model past de perturbatietheorie toe, die gebruikt kan worden om ingewikkelde vergelijkingen op te lossen door te beginnen met de oplossing van een vergelijkbare vergelijking. Om te testen hoe accuraat hun model is, hebben de onderzoekers zich gericht op vezellengtes tot 80 kilometer. “Glasvezel met een lengte tussen 20 en 40 kilometer wordt gebruikt in passieve glasvezelnetwerken voor het verzenden van breedbandsignalen naar woningen, terwijl 80 kilometer de typische afstand is tussen versterkers bij dataverkeer over lange afstanden”, voegt Oliari toe.
Belangrijke stap
De onderzoekers vergeleken hun model met drie andere modellen waarmee het transport van licht in optische vezels wordt gesimuleerd en kwamen tot de conclusie dat hun model de meest accurate beschrijving gaf van de sterke non-lineaire en zwakke dispersieve effecten op signalen.
Hoewel het model alleen toegepast kan worden in gevallen met lage dispersie en vezellengtes onder de 80 kilometer, kan het toch verstrekkende gevolgen hebben voor glasvezelnetwerken. De onderzoekers wijzen er verder op dat hun model toepasbaar is bij andere systemen waarbij gebruik gemaakt kan worden van de non-lineaire Schrödingervergelijking. “Voordat we ons voordeel kunnen doen met het non-lineaire gebied, moeten wij onze kennis verder uitbreiden. Dit model is een belangrijke stap in die richting”, zegt Oliari.
Oliari et al., “Regular Perturbation on the Group-Velocity Dispersion Parameters for Nonlinear Fibre-Optical Communications”, Nature Communications (2020), (doi:10.1038/s41467-020-14503-w)
Dit onderzoek wordt ondersteund door de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) via de Vide-beurs voor het onderzoeksproject Increasing the Capacity of Optical Nonlinear Interfering Channels (ICONIC, projectnummer 15685). A. Alvarado ontving een beurs van de European Research Council (ERC) als onderdeel van het Europese onderzoekprogramma Horizon 2020 (grant agreement number 757791). E. Agrell ontving een beurs van de Swedish Research Council (VR) onder Grant number 2017-03702.