Mais de 99% dos nossos dados da Internet são transportados por fibras ópticas, mas com o aumento da nossa demanda de dados, estamos levando nossas redes de fibra existentes aos seus limites. Uma forma de aumentar a capacidade das fibras é transmitir sinais com maior potência, mas isso geralmente é evitado, pois as transmissões podem ficar distorcidas. Para ajudar com isso, pesquisadores da Universidade de Tecnologia de Eindhoven desenvolveram uma nova ferramenta matemática para explorar melhor como a luz se propaga através das fibras ópticas nesta alta potência, ou não linear, regime. Esta nova ferramenta pode ajudar no projeto da próxima geração de redes de fibra óptica de transmissão de dados. Os resultados são publicados em Nature Communications .

Hoje, grandes quantidades de dados são transmitidos por meio de fibras ópticas, como a fibra óptica monomodo (SSMF). Normalmente, os sinais de dados são transportados em baixa potência, ou linear, regime. Este tipo de propagação de luz através das fibras pode ser modelado muito bem usando a equação de onda de Schrödinger, um elemento-chave da física quântica. Mas quando a intensidade do sinal é aumentada para transmitir sinais a distâncias adicionais, os efeitos não lineares tornam-se um problema. As ferramentas matemáticas existentes não podem fornecer soluções confiáveis ​​para transmissão de sinal, portanto, os pesquisadores atualmente têm uma compreensão insuficiente do que acontece com a luz no regime não linear.

"Quando a luz se move através de fibras ópticas, como SSMFs no regime não linear, devemos lutar com efeitos não lineares e de dispersão ", afirma Vinícius Oliari, da Universidade de Tecnologia de Eindhoven. A luz de alta intensidade pode alterar o índice de refração da fibra, que é responsável pelo efeito não linear conhecido como modulação de fase própria, enquanto a dispersão é a propagação da luz ao longo do tempo conforme ela se move através de uma fibra, o que pode ser um problema sério em grandes distâncias. Os efeitos não lineares também podem aumentar a largura de banda do sinal, o que poderia aumentar os custos de muitos sistemas de fibra.

Orientando futuros designers

Oliari e Alex Alvarado, do Departamento de Engenharia Elétrica, junto com Erik Agrell na Chalmers University of Technology em Gotemburgo, Suécia, desenvolveram um novo modelo matemático que pode descrever com precisão a propagação de sinais de luz em fibras sujeitas a efeitos não lineares. “No futuro precisaremos de baixo custo, receptores confiáveis ​​que podem lidar com grandes quantidades de dados transmitidos no regime não linear. Nosso modelo pode ajudar os engenheiros a projetar dispositivos que funcionem melhor neste regime ", diz Oliari.

Seu modelo aplica a teoria de perturbação regular, que pode ser usado para resolver equações complicadas começando com a solução de uma equação semelhante. Para testar a precisão do modelo, os pesquisadores se concentraram em comprimentos de fibra de até 80 quilômetros. "Um comprimento de fibra óptica entre 20 e 40 quilômetros pode ser encontrado em redes ópticas passivas que entregam sinais de banda larga para casas, enquanto 80 quilômetros é a distância típica entre amplificadores usados ​​na transmissão de longa distância ", adiciona Oliari.

Passo principal

Os pesquisadores compararam seu modelo com três outros modelos usados ​​para simular a propagação de luz em fibras ópticas e descobriram que seu modelo capturou com mais precisão efeitos dispersivos fracos e altamente não lineares nos sinais.

Embora a aplicação do modelo se limite a casos com baixa dispersão e comprimentos de fibra inferiores a 80 quilômetros, o modelo pode ter implicações de longo alcance para redes de fibra. Os autores também apontam que este modelo pode ser aplicado a outros sistemas onde a equação não linear de Schrödinger pode ser usada. "Antes de começarmos a tirar proveito do regime não linear, precisamos aprofundar nosso entendimento. Este modelo é um grande passo nessa direção ", de acordo com Oliari.