Digitally enhanced Multi-wavelength Stabilization using a Passive Fiber Frequency Reference

في عالم العلوم الدقيقة، غالباً ما يُعامل الضوء كمسطرة. فعندما يحتاج الباحثون إلى قياس المسافات بدقة متناهية، أو مزامنة الساعات عبر القارات، أو إرسال رسائل سرية لا يمكن اعتراضها، فإنهم يعتمدون على الإيقاع الثابت لضوء الليزر. ومع ذلك، فإن الحفاظ على ليزرين منفصلين يعملان في تناغم تام هو أمر صعب للغاية؛ فحتى أدنى اهتزاز، أو تغير في درجة الحرارة، أو إزاحة طفيفة في الهواء يمكن أن تسبب تباعد تردداتهما، مما يؤدي إلى إفساد القياس أو كسر رابط الاتصال. ولعقود من الزمن، حل العلماء هذه المشكلة عن طريق ربط أجهزة الليزر بمرجع واحد فائق الاستقرار، لكن القيام بذلك لعدة أجهزة ليزر في وقت واحد يتطلب عادةً آلات معقدة ومكلفة تعمل مثل قائد أوركسترا ضخم، لضمان أن تعزف كل آلة النوتة نفسها.

لقد استعرض فريق من الباحثين الآن طريقة أبسط وأكثر مرونة للحفاظ على تعدد أجهزة الليزر في خطوة واحدة. فمن خلال استخدام كابل ألياف ضوئية خامل (passive) كمرجع مشترك واستخدام خدعة رقمية ذكية لفصل الإشارات، نجحوا في تثبيت ليزرين يفصل بينهما فجوة كبيرة في التردد. ويشير هذا الإنجاز إلى مسار جديد نحو بناء شبكات قابلة للتوسع للاتصالات الكمومية والاستشعار عالي الدقة دون الأعباء الإضافية لأنظمة "مشط التردد" التقليدية. ويثبت هذا العمل أنه من الممكن الحفاظ على علاقة مستقرة بين ألوان مختلفة من الضوء باستخدام خط ليف ضوئي واحد هادئ، مما يفتح الباب أمام تقنيات بصرية أكثر قوة وقابلية للتكيف.

ركز الباحثون، المنتمون إلى مؤسسات في السويد وأستراليا، على تحدٍ محدد: كيفية جعل ليزرين، يفصل بين تردديهما 85.42 جيجاهرتز، متزامنين تماماً باستخدام مرجع مشترك واحد فقط. وفي إعدادهم التجريبي، استخدموا ليزرين ليفيين، أحدهما مضبوط على طول موجي قدره 1549.9185 نانومتر والآخر 1549.2343 نانومتر. ولربطهما، أرسلوا كلا الشعاعين إلى مقياس تداخل ليفي خامل (passive fiber interferometer)، وهو جهاز مكون من ألياف ضوئية قياسية مرتبة في حلقة يكون فيها أحد المسارات أطول قليلاً من الآخر. ويتسبب هذا الاختلاف في طول المسار في تداخل الموجات الضوئية مع بعضها البعض، مما يخلق إشارة تكشف مقدار انزياح تردد الليزر.

يكمن الابتكار في كيفية قراءة هذه الإشارة. فبدلاً من استخدام مكونات إلكترونية نشطة داخل حلقة الألياف، والتي يمكن أن تسبب ضوضاء وعدم استقرار، قام الباحثون بتعديل (modulation) أجهزة الليزر خارج الحلقة برموز رقمية فريدة. تخيل أن كل ليزر يحمل بصمة مميزة وغير مرئية مكونة من تسلسل سريع من إزاحات الطور. عندما تمر هذه الإشارات المشفرة عبر مقياس التداخل الليفي، فإنها تختلط معاً، ولكن نظرًا لأن لكل ليزر رمزه الفريد، فقد تمكن الباحثون من استخدام معالجة الإشارات الرقمية لفك تشابكها. سمحت هذه التقنية، المعروفة باسم "تعدد الإرسال القائم على الكود" (code-based multiplexing)، باستخراج معلومات التردد لكل ليزر من كاشف واحد، مما جعل من حلقة الليف الواحد تعمل كأداتتي قياس منفصلتين في آن واحد.

كانت نتائج هذه التجربة دقيقة ومتينة. فعلى مدار ثلاثة أيام ونصف، حافظ النظام على ربط الليزر الثاني بالأول مع بقاء الخطأ ضمن حدود زائد أو ناقص 300 كيلوهرتز. وعندما قاس الباحثون استقرار الاتصال بين الليزرين، وجدوا استقراراً تفاضلياً كسرياً قدره 7 في 10 أس سالب 13 عند ثانية واحدة. وهذا يعني أنه خلال ثانية واحدة، كان فرق التردد النسبي بين الليزرين صغيراً للغاية. علاوة على ذلك، أظهر النظام أن الضوضاء المنتقلة بين الليزرين قد تم كبحها إلى مستوى أقل من واحد كيلوهرتز لكل جذر هرتز للترددات التي تزيد عن 40 ميلي هرتز. ويشير هذا الحد الأعلى للضوضاء إلى أن النظام فعال للغاية في تصفية الاضطرابات البيئية التي تعيق عادةً مثل هذه القياسات الحساسة.

استكشف الفريق أيضاً مرونة نظامهم. فقد أثبتوا أنه يمكن ضبط "نقطة القفل" (lock point)، أو علاقة التردد المحددة بين ليزري الليزر، رقمياً بدقة تصل إلى 122 هرتز. وهذا يعني أنه بمقدورهم تغيير التردد المستهدف لليزر المقفل بخطوات دقيقة جداً دون فقدان الربط، وهي ميزة ضرورية للتطبيقات التي تتطلب تعديلات ديناميكية. كما بحثوا في قيود النظام، وتحديداً كيف يؤثر الطول الفيزيائي لمقياس التداخل الليفي، الذي يتغير قليلاً مع درجة الحرارة، على القياس. ووجدوا أنه بينما يعد النظام ممتازاً في إلغاء الضوضاء المشتركة، إلا أن هناك اقتراناً متبقياً صغيراً حيث تؤثر التغيرات في طول الليف على الليزرين بشكل مختلف قليلاً بسبب اختلاف أطوالهما الموجية. وقد تم قياس هذا التأثير عند مستوى 700 جزء في المليون، مما حدده كعامل أساسي يحد من الاستقرار طويل الأمد.

وعلى الرغم من هذا القصور الطفيف، فإن البنية الهندسية تقدم بديلاً مقنعاً للطرق الحالية. فغالباً ما تعتمد الأساليب التقليدية على "أمشاط التردد الضوئية" (optical frequency combs)، وهي أجهزة معقدة تولد طيفاً من الترددات المتباعدة بانتظام لتعمل كمسطرة. ورغم قوتها، إلا أن هذه الأمشاط قد تكون ضخمة ومكلفة. أما الطريقة الجديدة فتستخدم مرجعاً ليفياً واحداً وفك تشفير رقمي لتحقيق استقرار مماثل لعدة أجهزة ليزر، مما يوفر حلاً منخفض التكلفة وقابلاً للتوسع. وأشار الباحثون إلى أن نظامهم يمكن توسيعه للتعامل مع العديد من أجهزة الليزر الإضافية ببساطة عن طريق إضافة المزيد من الأكواد وأجهزة التعديل، شريطة توفر القدرة على المعالجة الرقمية. وهذا التوسع يجعل التقنية جذابة بشكل خاص لشبكات الكم المستقبلية، حيث قد يحتاج العديد من المستخدمين إلى مشاركة مرجع تردد مستقر عبر مسافات طويلة.

تمتد تداعيات هذا العمل إلى ما هو أبعد من مجرد الحفاظ على توافق أجهزة الليزر. إن القدرة على تثبيت مصادر ضوئية متعددة بدقة عالية أمر ضروري لتقنيات مثل "توزيع المفاتيح الكمومية"، حيث تعتمد أمن الرسالة على علاقة الطور بين الموجات الضوئية. كما يدعم هذا العمل تطبيقات مثل توليد التراهرتز القابل للضبط ونقل التردد الضوئي، حيث يعد الحفاظ على فرق تردد دقيق بين ألوان ضوئية مختلفة أمراً بالغ الأهمية. ومن خلال إثبات أن مرجعاً ليفياً خاملاً يمكن تعزيزه رقمياً للتعامل مع أطوال موجية متعددة، قدم الباحثون مخططاً لبناء أنظمة بصرية أكثر مرونة وقابلية للتكيف. وتؤكد التجربة أنه مع توفر الأدوات الرقمية المناسبة، يمكن لقطعة بسيطة من الألياف أن تصبح ركيزة قوية لمستقبل الفتونيات الدقيقة.