[论文解读] Supramolecular assembly of optical solitons via long-range interactions

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

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 35被引用 1

一句话总结

该论文提出利用长程非共价脉冲间相互作用，使光纤激光环路中的光学孤子自组装成稳定的超分子结构。通过利用这些相互作用，系统实现了在无需主动定时重定时的情况下，跨多个天文单位的编码孤子态无误码传输，从而有效克服了光纤通信系统中的噪声累积问题。

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

• 解决光纤通信系统中噪声累积的根本性限制。
• 探究长程非共价脉冲间相互作用是否能够使光学孤子超越传统极限而稳定。
• 证明自组装的孤子结构可在长距离传输中保持完整性并编码信息。
• 研究基于被动比特-比特相互作用的信号再生在光纤网络中的可行性。

提出的方法

• 在光纤激光环路中工程化长程非共价相互作用，以诱导孤子的协同耦合。
• 利用环形结构中孤子的非线性动力学，实现自组装形成超分子结构。
• 采用长距离光纤路径的无源传输，评估无主动重定时情况下的稳定性与信号完整性。
• 将信息编码于自组装孤子结构的空间与时间组织中。
• 测量相当于多个天文单位距离下的信噪比与误码率，以验证其鲁棒性。
• 分析在不同相互作用条件下涌现的孤子构型的多样性与稳定性。

实验结果

研究问题

• RQ1 长程脉冲间相互作用是否能稳定光学孤子，防止其在光纤传输中因噪声而退化？
• RQ2 自组装的超分子孤子结构是否具备足够的长期稳定性以实现实际信息传输？
• RQ3 是否可无需主动信号再生，仅通过孤子集体构型编码信息？
• RQ4 被动比特-比特相互作用在多大程度上可缓解光纤系统中的噪声累积？
• RQ5 仅依靠孤子间相互作用，实现无误码运行的最大传输距离是多少？

主要发现

• 在光纤激光环路中，光学孤子通过工程化的长程非共价相互作用自组装成稳定的超分子结构。
• 自组装的孤子结构在相当于多个天文单位的传输距离上保持长期稳定性。
• 无需任何主动重定时或信号再生，即可实现编码信息的无误码传输。
• 系统展现出孤子构型的初步多样性，具备多态信息编码的潜力。
• 该方法有效克服了光纤传输系统中的通用噪声累积极限。
• 结果表明，比特-比特相互作用可作为光纤网络中对抗信号退化的被动机制。