Inline inter-core phase control in multi-core fiber with a commercial polarization controller

في عالم الاتصالات الحديثة، ينتقل الضوء عبر خيوط زجاجية تسمى الألياف البصرية لنقل كميات هائلة من المعلومات. ولعقود من الزمن، كانت هذه الخيوط محدودة بقناة واحدة، مثل طريق ذي مسرب واحد. ولمواجهة الطلب المتزايد على البيانات، طور العلماء أليافاً متعددة النوى، والتي تضم عدة قنوات ضوئية مستقلة، أو نوى، داخل خيط واحد من الزجاج. وهذا يشبه تحويل ذلك الطريق ذي المسرب الواحد إلى طريق سريع متعدد المسارات، مما يسمح بمرور حركة مرور أكبر بكست كثير عبر نفس المساحة الفيزيائية. ومع ذلك، فإن هذه المسارات المتوازية ليست مجرد أنابيب منفصلة؛ بل يمكنها أيضاً العمل معاً. فمن خلال التحكم الدقيق في توقيت، أو طور (phase)، الموجات الضوئية في نوى مختلفة، يمكن للمهندسين إنشاء أجهزة مدمجة لتقسيم أو دمج أو توجيه الإشارات بطرق مستحيلة باستخدام الألياف أحادية النواة. وتعد هذه القدرة ضرورية لكل من شبكات البيانات التقليدية والتقنيات الكمومية الناشئة. ومع ذلك، ظل هناك عائق رئيسي: الموجات الضوئية في هذه الألياف حساسة للغاية لبيئتها. إذ تؤدي التغيرات في درجة الحرارة أو حتى أدنى إجهاد ميكانيكي إلى انحراف توقيت الضوء، مما يؤدي إلى إفساد أنماط التداخل الدقيقة اللازمة لهذه التطبيقات المتقدمة. ولحل هذه المشكلة، يحتاج الباحثون إلى وسيلة لتعديل توقيت الضوء في نواة واحدة بالنسبة لأخرى دون تفكيك الليف أو استخدام معدات خارجية ضخمة.

وجد فريق من الباحثين في تشيلي حلاً بسيطاً بشكل مفاجئ لهذه المشكلة من خلال إعادة توظيف قطعة شائعة من الأجهزة. فقد أثبتوا أن متحكم الاستقطاب الخطي التجاري، وهو جهاز صغير صُمم في الأصل لإدارة اتجاه الضوء في الألياف القياسية أحادية النواة، يمكن استخدامه للتحكم بدقة في فرق التوقيت بين نوى الألياف متعددة النوى. وفي تجربتهم، أخذ الفريق كابل توصيل قياسياً يحتوي على أربع نوى حاملة للضوء ووضعه داخل هذا الجهاز الجاهز. وبدلاً من استخدام الجهاز بالطريقة التي صُمم لأجلها، والتي تتضمن لف الليف لتدوير اتجاه الضوء، قاموا بتثبيت زاوية الليف وطبقوا ببساطة كميات متغيرة من الضغط باستخدام آلية برغي. هذا الضغط يعصر الليف، مما يخلق نمطاً معيناً من الإجهاد ينتقل عبر الزجاج.

اكتشف الباحثون أنه عندما يعصرون الليف في اتجاه معين، فإنه يعمل كمؤقت دقيق للضوء. فمن خلال تدوير البرغي، استطاعوا تغيير وقت وصول الضوء في نواة واحدة بالنسبة لأخرى. وعندما اختبروا ذلك باستخدام ضوء مستقطب في اتجاه معين، تمكنوا من إزاحة التوقيت بمقدار يقترب من راديان واحد، وهو تغيير كبير وعكسي يمكن تكراره مرات عديدة. والأهم من ذلك، أن هذا التعديل حدث بالكامل داخل غلاف الليف؛ فلم يضطر الضوء أبداً لمغادرة الخيط الزجاجي ليتم التحكم فيه، ولم تكن هناك حاجة لأدوات بصرية خارجية معقدة. يقدم هذا الاكتشاف طريقة عملية ومنخفضة التكلفة ومدمجة لتثبيت التوقيت الدقيق المطلوب لأنظمة الألياف البصرية المتقدمة.

لفهم ما كان يحدث بالضبط، نظر الفريق في كيفية تأثير الضغط على الزجاج. فعندما يُضغط الليف، يصبح مختلفاً قليلاً بالنسبة للضوء الذي يسافر في اتجاهات مختلفة، وهي خاصية تُعرف باسم "الانكسار المزدوج" (birefringity). استخدم الباحثون نموذجاً مبسطاً لقرص يتم ضغطه من جانبين متقابلين للتنبؤ بكيفية سلوك هذا الإجهاد. واقترح نموذجهم أنه إذا دخل الضوء إلى الليف محاذياً لاتجاه الضغط، فإن الجهاز سيغير توقيت الضوء في النوى دون تغيير اتجاه الضوء. وقد أكدت تجاربهم هذا السلوك. فمن خلال قياس الضوء الخارج من كل نواة من النوى الأربع، تحققوا من أن حالة الاستقطاب ظلت مستقرة بينما تغير التوقيت. وأكد هذا أن الجهاز كان يعمل كمزاح طور نقي (pure phase shifter)، وهو مطلب حيوي لتطبيقات التداخل التي صُممت هذه الألياف لدعمها.

كما قام الفريق أيضاً بقياس مقدار التغيير في التوقيت الفعلي من خلال إنشاء نمط تداخل بين اثنتين من النوى. ولاحظوا أنه مع تدوير الضغط صعوداً وهبوطاً، انزاح نمط التداخل ذهاباً وإياباً بطريقة يمكن التنبؤ بها. وبالنسبة للضوء الداخل باستقطاب رأسي، قاسوا إزاحة في التوقيت بلغت 0.95 راديان، مع حد أدنى مضمون للإزاحة قدره 0.38 راديان بغض النظر عن الظروف الأولية. أما بالنسبة للضوء ذي الاستقطاب الأفقي، فقد كان التأثير أصغر، حيث وصل بحد أقصى إلى 0.59 راديان. يوضح هذا الفرق أن أداء الجهاز يعتمد على اتجاه الضوء، ولكن من خلال محاذاة المدخل بشكل صحيح، استطاعوا تحقيق تأثير قوي وقابل للتحكم. وأشار الباحثون إلى أن الجهاز أظهر بعض "الذاكرة الميكانيكية"، مما يعني أن الليف يستغرق لحظة للاستقرار بعد الضغط المتكرر، لكن هذا الاستجابة البطيئة لا تشكل مشكلة للاستخدام المقصود. فبما أن الهدف هو تثبيت الإشارات البطيئة التي تنحرف، وليس تبديلها بسرعات عالية، يمكن لنظام تحكم تتبع هذه التغييرات البطيئة والتعويض عنها بسهولة.

يمثل هذا العمل خطوة مهمة للأمام في جعل تقنية الألياف متعددة النوى عملية للاستخدام في العالم الحقيقي. فمن خلال إظهار أن مكوناً قياسياً منخفض الفقد يمكن استخدامه للتحكم في التوقيت بين النوى، قدم الباحثون أداة لا تتطلب تصنيعاً خاصاً أو إعدادات معقدة. إن القدرة على تعديل طور الضوء في نواة واحدة بالنسبة لأخرى دون إخراج الضوء من الليف تفتح الباب أمام شبكات بصرية أكثر استقراراً وكفاءة. وبينما يعتمد مقدار الإزاحة المحدد على الهندسة الدقيقة لليف والجهاز، فإن النتيجة الجوهرية قوية: ضغطة بسيطة يمكنها ضبط توقيت الضوء بدقة في ليف متعدد النوى. يتجنب هذا النهج الحاجة إلى توزيع الألياف إلى خيوط منفصلة أحادية النواة أو استخدام البصريات في الفضاء الحر، مما يحافظ على النظام بأكمله مدمجاً ومتكاملاً. ويقترح الباحثون أنه من خلال تكديس أجهزة متعددة أو استخدام مشغلات أسرع، يمكن تحقيق إزاحات زمنية أكبر، مما قد يسمح بالتحكم الكامل في مسار الضوء وتوقيته داخل نظام واحد يعتمد كلياً على الألياف.