Solitonen in optischen Glasfasern


Für die Hochgeschwindigkeits-Datenübertragung werden heutzutage Lichtimpulse in Glasfasern genutzt. Damit erreicht man dramatisch höhere Datenraten als in elektrischen Kabeln bei zugleich geringeren Streckenverlusten.

Insbesondere bei Wellenlängen im Infraroten (1,5 µm entsprechend einer Frequenz von 200 THz) weisen heutige Glasfasern eine erstaunlich geringe Dämpfung von ungefähr 0,2 dB/km auf. In einem realen System müssen die Gruppengeschwindigkeitsdispersion  und ein nichtlinearer Effekt, die sogenannte Selbstphasenmodulation berücksichtigt werden; außerdem tritt ach immer eine gewisse Abschwächung auf. Um die Leistungsfähigkeit solcher Systeme weiter zu steigern, bieten sich optische Solitonen an.

Als Solitonen bezeichnet man nichtlineare Wellen und Wellenpakete, die in vielen Bereichen der Physik anzutreffen sind. Beispiele dafür sind z. B. besondere Wolkenformationen, der Signaltransport in Neuronen, die Ausbildung formstabiler Wasserwellen und auch die sogenannten Monsterwellen in der Ozeanographie. Beschrieben werden diese Phänomene, ebenso wie z.B. formstabile Materiewellen in Bose- Einstein-Kondensaten, durch nichtlineare dispersive Wellengleichungen.

Optische Solitonen

Die Ausbreitung von intensiven Lichtimpulsen in optischen Glasfasern ist ein weiteres bedeutsames Beispiel für ein solches nichtlineares System. Sogenannte optische Solitonen sind elektromagnetische Wellenpakete, die trotz der vorhandenen Dispersion der Gruppengeschwindigkeit nicht zerfließen. Sie entstehen durch ein dynamisches Wechselspiel zwischen der Dispersion und der Kerr-Nichtlinearität. Gerade dieses dynamische Wechselspiel bewirkt auch, dass eine kleine Störung des Wellenpaketes sofort "behoben" wird. Eine weitere verblüffende Eigenschaft von Solitonen ist, dass bei der Kollision mit gleichartigen Wellenpaketen weder ihre Form noch Energie beeinflusst wird. Diese Eigenschaften machen sie zu idealen optischen Bits.

Die Ausbreitung eines optischen Signals U(z,t)  in Glasfasern wird beschrieben durch die sog.nichtlineare Schrödingergleichung (NLSG):

Dabei ist Beta_2 der Dispersionsparameter und Gamma der Nichtlinearitätsparameter; t ist die Zeit und z der Ort entlang der Faser. Für Beta_2<0 (anomale Dispersion) besitzt diese Gleichung formstabile Solitonenlösungen

mit der Pulsdauer T_0. Für diese zeitliche Form gleichen sich die Auswirkungen von Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD) und nichtlinearer Selbstphasenmodulation (SPM) gegenseitig aus. Ebenfalls existieren sogenannte Solitonen höherer Ordnung, die aus mehreren einzelnen Solitonen bestehen. Diese haben die Startform

mit der Solitonenordnung

Für ganzzahlige Werte von N mit N>1 erhält man abstrahlungsfreie Solitonen höherer Ordnung.

In realen Fasern treten unvermeidbare Leistungsverluste auf, die zu einem Zerfall der Solitonen führen würden; daher fügt man in regelmäßigen Abständen optische Verstärker in die Faser ein. In Fasern mit normaler Dispersion treten sogenannte dunkle Solitonen auf.

Dispersions-Management und DM-Solitonen

Für die Datenübertragung verwendet man heute oft Fasern mit alternierender Dispersion (sog. "dispersion management", kurz DM), um Vier-Wellen-Mischung zwischen verschiedenen Übertragungskanälen und den Gordon-Haus-Jitter zu vermeiden. Hierbei werden Glasfasern mit verschiedener Dispersion periodisch aneinander gefügt (eingeteilt in Dispersionsperioden), um die mittlere Dispersion gezielt einzustellen. Auch in solchen DM-Fasern existieren stabile Lichtpulse: die DM-Solitonen. Aufgrund der hohen lokalen Dispersion gibt es jedoch kein lokales Gleichgewicht mehr zwischen der hier dominanten GVD und der SPM. Die DM-Solitonen zeigen daher ein atmendes Verhalten während der Ausbreitung. Nach jeder Dispersionsperiode wird die Pulsform bis auf einen konstanten Phasenoffset wiederhergestellt. DM-Solitonen sind daher stroboskopisch stabil.

Helle DM-Solitonen können im Gegensatz zu fundamentalen Solitonen nicht nur im Bereich anomaler GVD sondern auch im Bereich mittlerer normaler GVD existieren. Ebenso gibt es dunkle DM-Solitonen, die im Bereich mittlerer anomaler GVD existieren. Die Besonderheit der DM-Solitonen liegt in der Fähigkeit, stabile Solitonenketten zu bilden: die Solitonenmoleküle. Diese Solitonenmoleküle sind ein wesentlicher Bestandteil unserer aktuellen Forschung. Sie besitzen das Potential, die bisher benutzte binäre Kodierung der zu übertragenden Daten zu erweitern.

zugehörige Veröffentlichungen

Soliton Content of Fiber-Optic Light Pulses