Solitonenmoleküle als Informationsträger


Aufgrund ihrer Stabilität bieten Solitonenmoleküle eine Möglichkeit zur Steigerung der Übertragungskapazität von Glasfasern (siehe Grenzen des Wachstums) durch nichtbinäre Kodierung. Für einen sinnvollen Einsatz einer solchen Kodierung benötigt man allerdings auch längere stabile Ketten aus drei oder mehr DM-Solitonen. Ein Solito­nen­­molekül aus drei Solitonen haben wir bereits im Rahmen dieses Projekts experimentell nachgewiesen. Aber da für DM-Fasern im Allgemeinen keine analytischen Lösungen angegeben werden können, gestaltet sich die systematische Suche nach weiteren Bindungszuständen aufgrund der vielen freien Parameter und des kleinen Existenzbereichs der Lösungen schwierig. Um solche Bindungszustände finden bzw. untersuchen zu können, wurden in diesem Projekt daher verschiedene numerische und experimentelle Strategien verfolgt.

Numerische Suche nach Solitonenmolekülen

Simulationsrechungen haben im Vergleich zum Experiment den Vorteil, dass auch das Verhalten während der Ausbreitung in der Faser unkompliziert untersucht werden kann. Für die numerische Suche nach Solitonenmolekülen wurden zum Einen numerische Optimierungsverfahren (z.B. genetische Algorithmen) im vollständigen Parameterraum eingesetzt. Dadurch konnten Mehrfachpulsstrukturen gefunden werden, deren Form während der Ausbreitung erhalten bleibt. Zum Anderen wurden direkte Suchverfahren in einem reduzierten Parameterraum (äquidistante Solitonen gleicher Dauer und fester relativer Phase) durchgeführt. Verglichen mit den oben erwähnten Optimierungsverfahren haben solche direkten Parameterscans den Vorteil, dass sie Aussagen über das Verhalten in der Umgebung einer Lösung und damit auch über deren Stabilität erlauben. In der unten gezeigten Animation ist Existenzbereich von 3-Solitonenmolekülen (Solitonenketten aus drei Pulsen) als Funktion von Pulsdauer, Pulsabstand und relativer Phase dargestellt. Die Farbe der Datenpunkte zeigt dabei die Schwingung des Pulsabstands nach einer Strecke von 200 Dispersionsperioden an (gelb: kleine Amplitude, blau: große Amplitude). Dabei sind deutlich verschiedene stabile Bereiche zu erkennen. Auf der rechten Bildseite ist ein Schnitt durch eine Beispielebene bei großem Pulsabstand gezeigt. Hier sieht man, dass auch bei einer Phasendifferenz abseits von Pi vergleichsweise stabile Zustände auftreten.

Solitonenmoleküle im Experiment

 Eines der Ziele des Projekts war es, solche Bindungszustände aus mehr als zwei Solitonen auch experimentell nachzuweisen. Dazu wird ein Pulsformer verwendet, mit dem verschiedene Pulsformen direkt erzeugt und in eine Testfaser geschickt werden können. Am Faserausgang kann dann die Änderung der Pulsform mittels eines FROG-Aufbaus ausgewertet werden. Im Vergleich zu numerischen Untersuchungen hat diese Methode den Vorteil, dass sämtliche in der Faser vorhandenen Effekte automatisch berücksicht werden.

Mit Hilfe von Parameterscans wurde das Verhalten solcher Bindungszustände im Experiment untersucht. Mittels solcher Scans gelang erstmals der Nachweis eines Solitonenmoleküls aus drei DM-Solitonen [120]. Zusammen mit dem Zwei-Solitonenmolekül würde dies ein solitonenbasiertes 2-Bit-pro-Zeittakt-Übertragungsformat ermöglichen. Derzeit wird im Rahmen dieses Projekts untersucht, welchen Einfluss das Einfügen eines faserbasierten Verstärkers in die Ausbreitungsstrecke auf die Solitonenmoleküle hat. In realen Übertragungsstrecken sind solche Verstärker aufgrund der Absorptionsverluste nicht zu vermeiden. Ein weiteres Forschungsthema sind die Auswirkungen von Solitonenkollisionen auf die Stabilität der Solitonenmoleküle. Da in einem Glasfaserkabel üblicherweise eine Vielzahl von Wellenkanälen mit jeweils unterschiedlichen Ausbreitungsgeschwindigkeiten übertragen werden (Wavelength-Division-Multiplexing), treten unter solchen Bedingungen entsprechend viele Solitonenkollisionen auf. Es ist davon auszugehen, dass Solitonenmoleküle eine solche Vielzahl an Störungen nicht überleben werden.