目前人类使用的99%以上互联网数据都是通过光纤传输，但随着人们对数据需求的增加，正在将现有的光纤网络推向极限。增加光纤容量的一种方法是以更高功率传输信号，但这通常是避免的，因为传输可能会失真。为了帮助这一点，埃因霍温科技大学科学家开发了一种新的数学工具，以更好地探索光如何在这种高功率或非线性状态下通过光纤传播。

这一新工具可以帮助设计下一代数据传输光纤网络，其研究成果发表在《自然通讯》期刊上。今天，大量数据通过诸如单模光纤(SSMF)的光纤传输。通常，数据信号在低功率或线性体制中承载。这种类型的光在光纤中的传播，可以用量子物理的关键元素薛定谔波动方程很好地建模。但是，当信号强度增加以传输更远距离的信号时，非线性效应成为一个问题。

现有数学工具不能为信号传输提供可靠的解决方案，因此研究人员目前对光在非线性区域发生了什么了解很少，埃因霍温理工大学的Vinícius Oliari说：当光在非线性区域通过诸如单模光纤之类的光纤时，必须与非线性和色散效应作斗争。高强度的光可以改变光纤折射率，这就是所谓自相位调制的非线性效应，而色散是光在光纤中移动时随时间的扩散，这在很长的距离上可能是一个严重问题。

指导未来

非线性效应还会增加信号带宽，这可能会增加许多光纤系统的成本。电气工程系的Oliari和Alex Alvarado与瑞典哥德堡查尔默斯理工大学的Erik Agrell共同开发了一种新数学模型，该模型可以准确描述光信号在受非线性效应影响的光纤传播，未来将需要低成本、可靠的接收器，能够处理在非线性机制下传输的大量数据。本研究模型可以帮助工程师设计在这种机制下功能最好的设备。

模型应用了正则摄动理论，可以从求解类似方程开始求解复杂的方程。为了测试模型的准确性，研究人员将重点放在了长达80公里的光纤上，在向家庭提供宽带信号的无源光网络中，光纤长度在20到40公里之间，而长距离传输中使用的放大器之间的典型距离为80公里。研究人员将模型与其他三个用于模拟光纤中光传播的模型进行了比较：

发现该研究模型更准确地捕捉到了信号的高度非线性和弱色散效应。虽然该模型的应用，仅限于低色散和光纤长度小于80公里的情况，但该模型对光纤网络可能具有深远的影响。该模型还可以应用于其他可以使用非线性薛定谔方程的系统。在人们开始利用非线性机制之前，研究还需要进一步理解，这个模型是朝着这个方向迈出的重要一步！

博科园｜研究/来自：埃因霍温科技大学

参考期刊《自然通讯》

DOI: 10.1038/s41467-020-14503-w

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