Más del 99% de nuestros datos de Internet son transportados por fibras ópticas, pero con el aumento de nuestras demandas de datos, estamos llevando nuestras redes de fibra existentes al límite. Una forma de aumentar la capacidad de las fibras es transmitir señales con mayor potencia, pero esto generalmente se evita ya que las transmisiones pueden distorsionarse. Para ayudar con esto, Los investigadores de la Universidad Tecnológica de Eindhoven han desarrollado una nueva herramienta matemática para explorar mejor cómo se propaga la luz a través de las fibras ópticas en esta alta potencia. o no lineal, régimen. Esta nueva herramienta podría ayudar en el diseño de la próxima generación de redes de fibra óptica de transmisión de datos. Los resultados se publican en Comunicaciones de la naturaleza .

Hoy dia, Se transmiten grandes cantidades de datos a través de fibras ópticas, como la fibra óptica monomodo (SSMF). Normalmente, las señales de datos se transportan en baja potencia, o lineal, régimen. Este tipo de propagación de luz a través de fibras se puede modelar bastante bien utilizando la ecuación de onda de Schrödinger, un elemento clave de la física cuántica. Pero cuando se aumenta la intensidad de la señal para transmitir señales a mayores distancias, los efectos no lineales se convierten en un problema. Las herramientas matemáticas existentes no pueden proporcionar soluciones confiables para la transmisión de señales, por lo que los investigadores actualmente tienen una comprensión deficiente de lo que sucede con la luz en el régimen no lineal.

"Cuando la luz se mueve a través de fibras ópticas como las SSMF en régimen no lineal, debemos lidiar con los efectos no lineales y de dispersión ", dice Vinícius Oliari de la Universidad Tecnológica de Eindhoven. La luz de alta intensidad puede cambiar el índice de refracción de la fibra, que es responsable del efecto no lineal conocido como modulación de fase propia, mientras que la dispersión es la propagación de la luz a lo largo del tiempo a medida que se mueve a través de una fibra, lo que puede ser un problema grave a grandes distancias. Los efectos no lineales también pueden aumentar el ancho de banda de la señal, lo que podría incrementar los costos de muchos sistemas de fibra.

Guiando a los futuros diseñadores

Oliari y Alex Alvarado del Departamento de Ingeniería Eléctrica, junto con Erik Agrell de la Universidad Tecnológica de Chalmers en Gotemburgo, Suecia, han desarrollado un nuevo modelo matemático que puede describir con precisión la propagación de señales de luz en fibras sujetas a efectos no lineales. "En el futuro necesitaremos bajos costos, Receptores confiables que pueden manejar grandes cantidades de datos transmitidos en el régimen no lineal. Nuestro modelo puede ayudar a los ingenieros a diseñar dispositivos que funcionen mejor en este régimen ", dice Oliari.

Su modelo aplica la teoría de la perturbación regular, que se puede usar para resolver ecuaciones complicadas comenzando con la solución de una ecuación similar. Para probar la precisión del modelo, los investigadores se centraron en longitudes de fibra de hasta 80 kilómetros. "Se puede encontrar una longitud de fibra óptica de entre 20 y 40 kilómetros en redes ópticas pasivas que entregan señales de banda ancha a los hogares, mientras que 80 kilómetros es la distancia típica entre los amplificadores utilizados en la transmisión de larga distancia ", agrega Oliari.

Paso mayor

Los investigadores compararon su modelo con otros tres modelos utilizados para simular la propagación de la luz en fibras ópticas y encontraron que su modelo capturaba con mayor precisión efectos dispersivos débiles y altamente no lineales en las señales.

Si bien la aplicación del modelo se limita a casos con baja dispersión y longitudes de fibra inferiores a 80 kilómetros, el modelo puede tener implicaciones de gran alcance para las redes de fibra. Los autores también señalan que este modelo se puede aplicar a otros sistemas donde se puede utilizar la ecuación no lineal de Schrödinger. "Antes de que podamos empezar a aprovechar el régimen no lineal, necesitamos ampliar nuestra comprensión. Este modelo es un gran paso en esa dirección ", según Oliari.