Oltre il 99% dei nostri dati Internet è trasportato da fibre ottiche, ma con l'aumento della richiesta di dati, stiamo spingendo le nostre reti in fibra esistenti ai loro limiti. Un modo per aumentare la capacità delle fibre è trasmettere segnali con una potenza maggiore, ma questo di solito viene evitato in quanto le trasmissioni possono diventare distorte. Per aiutare con questo, i ricercatori della Eindhoven University of Technology hanno sviluppato un nuovo strumento matematico per esplorare meglio come la luce si propaga attraverso le fibre ottiche a questa potenza elevata, o non lineare, regime. Questo nuovo strumento potrebbe aiutare nella progettazione della prossima generazione di reti in fibra ottica per la trasmissione di dati. I risultati sono pubblicati in Comunicazioni sulla natura .

Oggi, grandi quantità di dati vengono trasmesse tramite fibre ottiche come la fibra ottica monomodale (SSMF). Tipicamente i segnali di dati vengono trasportati a bassa potenza, o lineare, regime. Questo tipo di propagazione della luce attraverso le fibre può essere modellato abbastanza bene usando l'equazione d'onda di Schrödinger, un elemento chiave della fisica quantistica. Ma quando l'intensità del segnale viene aumentata per trasmettere segnali su ulteriori distanze, gli effetti non lineari diventano un problema. Gli strumenti matematici esistenti non possono fornire soluzioni affidabili per la trasmissione del segnale, quindi i ricercatori attualmente hanno una scarsa comprensione di ciò che accade alla luce nel regime non lineare.

"Quando la luce si muove attraverso fibre ottiche come gli SSMF in regime non lineare, dobbiamo fare i conti con effetti non lineari e di dispersione", afferma Vinícius Oliari della Eindhoven University of Technology. La luce ad alta intensità può modificare l'indice di rifrazione della fibra, che è responsabile dell'effetto non lineare noto come modulazione di autofase, mentre la dispersione è la diffusione della luce nel tempo mentre si muove attraverso una fibra, che può essere un problema serio su grandi distanze. Gli effetti non lineari possono anche aumentare la larghezza di banda del segnale, che potrebbe aumentare i costi di molti sistemi in fibra.

Guidare i futuri designer

Oliari e Alex Alvarado del Dipartimento di Ingegneria Elettrica, insieme a Erik Agrell alla Chalmers University of Technology di Göteborg, Svezia, hanno sviluppato un nuovo modello matematico in grado di descrivere con precisione la propagazione dei segnali luminosi in fibre soggette a effetti non lineari. "In futuro avremo bisogno di low cost, ricevitori affidabili in grado di gestire grandi quantità di dati trasmessi in regime non lineare. Il nostro modello può aiutare gli ingegneri a progettare dispositivi che funzionano meglio in questo regime", dice Oliari.

Il loro modello applica la teoria delle perturbazioni regolari, che può essere utilizzato per risolvere equazioni complicate partendo dalla soluzione di un'equazione simile. Per verificare l'accuratezza del modello, i ricercatori si sono concentrati su lunghezze di fibra fino a 80 chilometri. "Una lunghezza della fibra ottica compresa tra 20 e 40 chilometri può essere trovata nelle reti ottiche passive che forniscono segnali a banda larga alle case, mentre 80 chilometri è la distanza tipica tra gli amplificatori utilizzati nella trasmissione a lunga distanza", aggiunge Oliari.

passo importante

I ricercatori hanno confrontato il loro modello con altri tre modelli utilizzati per simulare la propagazione della luce nelle fibre ottiche e hanno scoperto che il loro modello catturava in modo più accurato effetti di dispersione altamente non lineari e deboli sui segnali.

Mentre l'applicazione del modello è limitata a casi con bassa dispersione e lunghezze delle fibre inferiori a 80 chilometri, il modello può avere implicazioni di vasta portata per le reti in fibra. Gli autori sottolineano anche che questo modello può essere applicato ad altri sistemi in cui è possibile utilizzare l'equazione di Schrödinger non lineare. "Prima di poter iniziare a sfruttare il regime non lineare, dobbiamo approfondire la nostra comprensione. Questo modello è un passo importante in quella direzione", secondo Oliari.