TU Eindhoven presenteert wiskundig model om te bepalen hoe licht zich voortplant

Meer dan 99 procent van het internetverkeer verloopt via glasvezel, maar door de alsmaar groeiende databehoefte komt de maximale capaciteit van het 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.

Nieuwe ontvangers
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 voortplant 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 zijn 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.

Hoge lichtintensiteit
‘Wanneer licht zich door optische vezels zoals SSMF's beweegt in het non-lineaire gebied, worden we geconfronteerd met non-lineaire en dispersie-effecten’, duidt 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.

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 gebied kunnen verwerken. Ons model kan bijdragen aan de ontwikkeling van apparaten die het best functioneren in dit gebied’, zegt Oliari.

80 kilometer
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.

De onderzoekers vergeleken hun model met 3 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 gebruikgemaakt kan worden van de non-lineaire Schrödingervergelijking. Oliari besluit: ‘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.’