Una ricerca innovativa dell'Università del Texas ad Arlington e dell'Università del Vermont potrebbe portare a una drastica riduzione dei costi e del consumo energetico delle connessioni Internet ad alta velocità.

Effetti ottici non lineari, come l'indice di rifrazione dipendente dall'intensità, può essere utilizzato per elaborare i dati migliaia di volte più velocemente di quanto può essere ottenuto elettronicamente. Tale elaborazione ha, fino ad ora, funzionava solo per un raggio ottico alla volta perché gli effetti ottici non lineari causano anche interazioni indesiderate tra i raggi, o diafonia, quando sono presenti più fasci di luce.

Un articolo pubblicato sulla prestigiosa Comunicazioni sulla natura rivista, dal gruppo di ricerca di Michael Vasilyev, un professore di ingegneria elettrica presso UTA, in collaborazione con Taras I. Lakoba, un professore di matematica all'UVM, dettagliata una dimostrazione sperimentale di un mezzo ottico in cui più fasci di luce possono correggere automaticamente le proprie forme senza influenzarsi a vicenda.

Questo lavoro, finanziato dalla National Science Foundation, consente l'elaborazione ottica non lineare simultanea di più fasci di luce da un singolo dispositivo senza convertirli in forma elettrica, aprendo la strada a questa tecnologia per raggiungere il suo pieno potenziale multi-Terabit al secondo, con conseguente comunicazione Internet ad alta velocità più economica e più efficiente dal punto di vista energetico.

Attualmente, eliminare il rumore accumulato durante la propagazione della luce nei collegamenti di comunicazione ottica, i vettori di telecomunicazioni devono ricorrere a frequenti rigenerazioni optoelettroniche, dove convertono i segnali ottici in elettrici tramite fotorivelatori veloci, elaborarli con circuiti a base di silicio, e quindi riconvertire i segnali elettrici in ottici, utilizzando laser seguiti da modulatori elettro-ottici. Poiché ogni fibra ottica può trasportare oltre un centinaio di segnali diversi a varie lunghezze d'onda, noto come multiplexing a divisione di lunghezza d'onda (WDM), tale rigenerazione optoelettronica deve essere eseguita separatamente per ciascuna lunghezza d'onda, facendo grandi rigeneratori, consumatori di energia costosi e inefficienti.

Un'alternativa interessante a questo è l'elaborazione diretta del segnale ottico, senza convertirlo in elettrico e viceversa. In particolare, la velocità della luce che si propaga in un mezzo trasparente può essere leggermente modificata da un cambiamento nell'intensità della luce. Questa è una manifestazione di un effetto ottico non lineare noto come "modulazione di fase automatica" o SPM. Se la luce contiene sia segnale che rumore, l'SPM può aiutare a pulire il segnale dal rumore disperdendo l'energia del rumore in frequenze ben al di fuori della banda del segnale, da dove il rumore può essere facilmente rimosso da un filtro. Quando applicato alla luce contenente dati utili, questa operazione di rimozione del rumore abilitata da SPM è chiamata "rigenerazione completamente ottica, " che può comportare l'autocorrezione ottica dei segnali che trasportano velocità di trasmissione dati cento volte superiori a quelle che possono essere elaborate elettronicamente.

Però, l'adozione della rigenerazione completamente ottica nei sistemi di comunicazione è stata ostacolata dalla sua incapacità di lavorare con i segnali WDM. Questo perché in presenza di più fasci di segnale, o canali WDM, l'SPM desiderato è sempre accompagnato da due effetti indesiderati:modulazione in fase incrociata, dove l'intensità di un canale modifica la velocità di propagazione di un altro canale, e miscelazione a quattro onde, dove l'interazione di più canali porta a interferenze con altri canali.

Nel loro articolo pubblicato, Vasilyev e colleghi riportano la dimostrazione sperimentale di un nuovo mezzo ottico non lineare gestito con ritardo di gruppo, dove si ottiene un forte effetto SPM senza tale interferenza tra i canali. Dividendo un mezzo non lineare convenzionale, come una fibra ottica, in diverse brevi sezioni separate da speciali filtri di ritardo di gruppo periodico produce un mezzo in cui tutte le componenti di frequenza dello stesso canale WDM viaggiano con la stessa velocità, garantendo un forte SPM. Diversi canali WDM viaggiano a velocità diverse, che sopprime drasticamente qualsiasi interazione tra i canali.

"Il nostro nuovo mezzo non lineare ci ha permesso di dimostrare la rigenerazione completamente ottica simultanea di 16 canali WDM da un singolo dispositivo, e questo numero è stato limitato solo dai vincoli logistici del nostro laboratorio", ha detto Vasilyev. "Questo esperimento apre l'opportunità di scalare il numero di canali a oltre cento senza aumentare il costo, tutto in un dispositivo delle dimensioni di un libro."

Il rigeneratore multicanale potrebbe persino ridursi alle dimensioni di una scatola di fiammiferi in futuro se il mezzo ottico non lineare potesse essere implementato su un microchip.

"Questa svolta è un esempio di come i ricercatori UTA possono avere un impatto positivo sul benessere fisico ed economico della società nell'area della scoperta basata sui dati e dell'impatto ambientale globale, temi nel Piano strategico 2020 Bold Solutions di UTA | Impatto globale, " disse Jonathan Bredow, professore e presidente del Dipartimento di Ingegneria Elettrica del College of Engineering dell'UTA.

"Gli sforzi precedenti per implementare l'elaborazione ottica non lineare, come la rigenerazione, non hanno avuto un impatto perché non c'era alcun vantaggio nell'utilizzarli sui segnali elettrici a causa dell'impossibilità di utilizzare più di un canale. Ora che il gruppo del dottor Vasilyev ha superato quell'ostacolo, ci sono nuove e straordinarie possibilità per velocizzare, trasmissione più efficiente dei messaggi, " disse Bredo.