[论文解读] Supramolecular transmission of soliton-encoded bit streams over astronomical distances

Wenbin He, Meng Pang+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 3, 2017

Advanced Fiber Laser Technologies被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种新颖的方法，通过利用光纤激光环路中光学孤子之间的超分子相互作用，实现长距离光通信。通过设计长程非共价脉冲间作用力，孤子自组装成稳定的、携带信息的超分子结构，可在无需主动定时重定时的情况下，实现无误码的天文距离传输，突破了光纤光学中传统的噪声积累限制。

ABSTRACT

A stream of optical pulses, transmitted over long distances in optical fiber, will be affected by a variety of noise sources, leading to degradation in the signal-to-noise ratio. This noise accumulation sets generic capacity limits of all fiber-based optical signal transmission systems and has long been regarded as unavoidable. We report that by tailoring long-range, non-covalent inter-pulse interactions, optical solitons in a fiber laser loop can robustly couple to each other and self-assemble into supramolecular structures that exhibit long-term stability, elementary diversity and the possibility of information encoding. We demonstrate error-free transmission of such self-assembled solitonic structures over many astronomical units without any active retiming, opening up the possibility of using bit-bit interactions to overcome noise accumulation in optical fiber telecommunications and bit-storage systems.

研究动机与目标

• 克服光纤通信系统中限制长距离数据传输的根本性噪声积累限制。
• 探究光学孤子之间的非共价长程相互作用是否能够实现自组装成稳定的信息承载结构。
• 展示利用被动自组织孤子结构在天文单位距离上实现无误码的孤子编码比特流传输。
• 探究超分子原理在下一代通信系统中光学信号传输与存储方面的潜力。

提出的方法

• 在光纤激光环路中设计光学孤子之间的长程非共价脉冲间相互作用，以促进其自组装成超分子结构。
• 采用光纤激光环路结构生成并维持具有定制化相互作用动力学的多个孤子。
• 通过受控的色散和非线性实现孤子-孤子耦合，以获得稳定集体行为。
• 设计系统以在长距离传输过程中保持信号完整性，无需主动再生或定时重定时。
• 通过数值模拟和理论建模验证自组装孤子结构的稳定性和信息承载能力。
• 在无主动信号恢复的模型系统中，实现了跨越多个天文单位（AU）的传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 光学孤子之间的非共价长程相互作用是否能导致稳定超分子结构的形成？
• RQ2 此类自组装孤子结构是否能在无主动定时重定时的情况下，于天文距离上保持信号完整性？
• RQ3 孤子间相互作用在多大程度上可减轻光纤通信系统中的噪声积累？
• RQ4 信息能否在这些超分子孤子排列中实现编码并长期保存于极长传播距离？

主要发现

• 自组装的超分子孤子结构在模型系统中表现出长时间的稳定性，传播距离极长。
• 在无需主动定时重定时或信号再生的情况下，实现了孤子编码比特流在多个天文单位距离上的无误码传输。
• 该系统表现出对噪声积累的强鲁棒性，挑战了传统观点中认为此类限制在光纤光学中不可避免的看法。
• 超分子结构表现出基本多样性及信息编码潜力，表明其具备超越简单脉冲传播的功能复杂性。