現(xiàn)有光纖網(wǎng)絡(luò)正被推向極限，未來怎么辦？薛定諤波動(dòng)方程來幫忙！

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(duì)數(shù)據(jù)需求的增加，正在將現(xiàn)有的光纖網(wǎng)絡(luò)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(hào)，但這通常是避免的，因?yàn)閭鬏斂赡軙?huì)失真。為了幫助這一點(diǎn)，埃因霍溫科技大學(xué)科學(xué)家開發(fā)了一種新的數(shù)學(xué)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(shè)計(jì)下一代數(shù)據(jù)傳輸光纖網(wǎng)絡(luò)，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(hào)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(guān)鍵元素薛定諤波動(dòng)方程很好地建模。但是，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度增加以傳輸更遠(yuǎn)距離的信號(hào)時(shí)，非線性效應(yīng)成為一個(gè)問題。

現(xiàn)有數(shù)學(xué)工具不能為信號(hào)傳輸提供可靠的解決方案，因此研究人員目前對(duì)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(xué)的Vinícius Oliari說：當(dāng)光在非線性區(qū)域通過諸如單模光纖之類的光纖時(shí)，必須與非線性和色散效應(yīng)作斗爭(zhēng)。高強(qiáng)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(yīng)，而色散是光在光纖中移動(dòng)時(shí)隨時(shí)間的擴(kuò)散，這在很長(zhǎng)的距離上可能是一個(gè)嚴(yán)重問題。

指導(dǎo)未來

非線性效應(yīng)還會(huì)增加信號(hào)帶寬，這可能會(huì)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(xué)的Erik Agrell共同開發(fā)了一種新數(shù)學(xué)模型，該模型可以準(zhǔn)確描述光信號(hào)在受非線性效應(yīng)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(jī)制下傳輸?shù)拇罅繑?shù)據(jù)。本研究模型可以幫助工程師設(shè)計(jì)在這種機(jī)制下功能最好的設(shè)備。

模型應(yīng)用了正則攝動(dòng)理論，可以從求解類似方程開始求解復(fù)雜的方程。為了測(cè)試模型的準(zhǔn)確性，研究人員將重點(diǎn)放在了長(zhǎng)達(dá)80公里的光纖上，在向家庭提供寬帶信號(hào)的無源光網(wǎng)絡(luò)中，光纖長(zhǎng)度在20到40公里之間，而長(zhǎng)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(gè)用于模擬光纖中光傳播的模型進(jìn)行了比較：

發(fā)現(xiàn)該研究模型更準(zhǔn)確地捕捉到了信號(hào)的高度非線性和弱色散效應(yīng)。雖然該模型的應(yīng)用，僅限于低色散和光纖長(zhǎng)度小于80公里的情況，但該模型對(duì)光纖網(wǎng)絡(luò)可能具有深遠(yuǎn)的影響。該模型還可以應(yīng)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(jī)制之前，研究還需要進(jìn)一步理解，這個(gè)模型是朝著這個(gè)方向邁出的重要一步！

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博科園｜研究/來自：埃因霍溫科技大學(xué)

參考期刊《自然通訊》

DOI: 10.1038/s41467-020-14503-w

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