Soliton

Ein Soliton ist ein Wellenpaket, welches sich zugleich durch ein dispersives und ein nichtlineares Medium bewegt und sich trotzdem ohne Änderung seiner Form ausbreitet. Kommt es bei einem Zusammenstoß mit gleichartigen Wellenpaketen zu einer Wechselwirkung, bei der Energie ausgetauscht wird, so handelt es hierbei um eine solitäre Welle. Tritt kein Energieaustausch ein, so handelt es sich um ein Soliton.

Ein Wellenpaket besteht aus mehreren Frequenzen. Ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit im Medium bei verschiedenen Frequenzen unterschiedlich (die so genannte Dispersion der Gruppengeschwindigkeit), so wird das Paket mit der Zeit zusätzlich verformt und breiter. Nichtlineare Effekte wandeln die einzelnen Frequenzen, aus denen ein Wellenpaket besteht, ineinander um. Geschieht dies derart, dass die schnelleren Frequenzkomponenten in langsamere umwandeln und langsamere in schnellere, so kann sich ein dynamisches Gleichgewicht ausbilden: ein Soliton.

Das Phänomen der Solitonen wurden erstmals 1834 von dem jungen Ingenieur John Scott Russell beschrieben. Russell ritt mehrere Kilometer neben einer etwa 10 Meter langen und etwa einen halben Meter hohen Wasserwelle, welche sich in einem engen schottischen Kanal ausbreitete, und beobachtete, dass sich deren Wellenform nur wenig veränderte.

1973 wurde die Existenz von optischen Solitonen in Lichtwellenleitern theoretisch vorausgesagt und 1980 erstmals experimentell nachgewiesen. Lichtschwache Impulse im Lichtleiter sind Wellenpakete und werden aufgrund von Dispersion mit der Zeit kleiner und breiter. Die Signalstärke und Signalqualität nehmen ab. Damit ist die maximal mögliche Übertragungsstrecke bzw. die Übertragungsrate beschränkt. Ein Soliton ist dagegen ein Lichtimpuls, der sich bei der Ausbreitung nicht verändert. Damit ist theoretisch eine Nachrichtenübertragung über beliebig weite Strecken möglich, bei genügend kurzen Impulsen kann eine sehr hohe Datenübertragungsrate erreicht werden. In Lichtwellenleitern lassen sich Solitonen im Bereich anomaler Dispersion der Gruppengeschwindigkeit (die Ausbreitungsgeschwindigkeit ist hier bei höheren Frequenzen größer) erzeugen ? also bei herkömmlichen Glasfasern bei Wellenlängen von ? > 1,3 µm. Hierzu ist nur eine Leistung von wenigen Milliwatt erforderlich. Die Impulsdauer beträgt einige Pikosekunden, was Übertragungsraten im Bereich von Terabits/Sekunde (10¹² Bits/s) über weite Strecken ermöglicht. In realen Medien existieren Dämpfung und Streuverluste, was zu einer Abnahme der Energie führt. Dies zerstört das Gleichgewicht zwischen Dispersion und Nichtlinearität, so dass sich das Soliton auflöst. In realen Datenübertragungssystemen muss man folglich die Solitonen immer wieder (ca. alle 20 km) nachverstärken.