Die Glasfasern übertragen Informationen mit Lichtgeschwindigkeit über tausende Kilometer. Diese Eigenschaften haben dazu geführt, dass sie massenhaft eingesetzt werden, um weltweit Computer-, Audio-/Video- und Telefondaten zu transportieren. Sie haben auch die medizinische Bildgebung, Sensoren und Innenbeleuchtung revolutioniert. Dennoch besteht seit der Entwicklung dieser Technologie in den 1970er Jahren eine Grenze: die Modulationsinstabilität.
Dieses Phänomen entspricht einer Verstärkung kleiner Störungen (Rauschen), die aus der Wechselwirkung zwischen der Nichtlinearität des Materials und der natürlichen Lichtstreuung resultieren. Je mehr die Intensität der Signale steigt, desto mehr verstärkt sich das Rauschen und löst eine chaotische Kaskade aus. Die Wissenschaftler konnten es bisher nur marginal abschwächen.
Bild zur Veranschaulichung.
© Benjamin Wetzel Im Juli 2025 wurde dieses Paradigma umgekehrt. Das Team von Benjamin Wetzel nutzte die Leistung künstlicher neuronaler Netze, um diese chaotischen Dynamiken zu entschlüsseln, vorherzusagen und zu steuern.
Die Wissenschaftler verfolgten einen Ansatz, bei dem schwache kohärente optische Impulse injiziert wurden, um die Eigenschaften des Chaos im Zusammenhang mit der Modulationsinstabilität zu verändern. Paradox? Vielleicht, aber diese injizierten Signale werden bewusst kontrolliert, im Gegensatz zum zufälligen Rauschen der Modulationsinstabilität. Und die Ergebnisse zeigen, dass sie sich als geeignet erweisen, um in das Chaos einzugreifen und es neu zu strukturieren.
Um diese Strategie zu entwickeln, simulierte das Team zunächst fast 100.000 Szenarien mit Hilfe künstlicher Intelligenz und testete 500 Rauschkonfigurationen für jedes davon. Das Netzwerk lernt, versteckte Informationen zu entschlüsseln, die durch Schichten nichtlinearer Prozesse und Rauschen getarnt sind. Parallel dazu testete eine experimentelle Plattform ultrakurze optische Impulse, die mehrere hundert Meter Glasfaser durchliefen.
Am Ausgang zeigen zwei Messansätze (ein klassischer optischer Analysator und eine Echtzeit-Erfassungsarchitektur) die Wirksamkeit der Methode. Die versteckten Parameter des Chaos werden enthüllt und die spektralen Schwankungen werden mit beispielloser Genauigkeit vorhergesagt.
Diese Ergebnisse sind in mehrfacher Hinsicht vielversprechend: sichere Kommunikation, Echtzeit-Bildgebung und Quantenoptik. Die Nichtlinearitäten, die besser verstanden werden, können genutzt werden, um Informationen im Herzen des optischen Chaos zu verschlüsseln. Das Team plant daher anspruchsvollere Netzwerkarchitekturen, um Glasfasern zu leistungsfähigeren und sichereren Systemen zu machen.
Quelle: CNRS INSIS