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

En el mundo de la comunicación moderna, la luz viaja a través de hilos de vidrio llamados fibras ópticas para transportar vastas cantidades de información. Durante décadas, estos hilos han estado limitados a un solo canal, como una carretera de un solo carril. Para hacer frente a la creciente demanda de datos, los científicos han desarrollado fibras de núcleo múltiple, que empaquetan varios canales de luz independientes, o núcleos, en una sola hebra de vidrio. Esto es similar a convertir esa carretera de un solo carril en una superautopista de múltiples carriles, permitiendo que fluya mucho más tráfico a través del mismo espacio físico. Sin embargo, estos carriles paralelos no son solo tuberías separadas; también pueden trabajar juntos. Al controlar cuidadosamente el tiempo, o fase, de las ondas de luz en diferentes núcleos, los ingenieros pueden crear dispositivos compactos que dividen, combinan o enrutan señales de formas que son imposibles con las fibras de núcleo único. Esta capacidad es esencial tanto para las redes de datos clásicas como para las tecnologías cuánticas emergentes. No obstante, un obstáculo importante ha persistido: las ondas de luz en estas fibras son increíblemente sensibles a su entorno. Los cambios en la temperatura o incluso el más mínimo estrés mecánico provocan que el tiempo de la luz se desvíe, arruinando los delicados patrones de interferencia necesarios para estas aplicaciones avanzadas. Para solucionar esto, los investigadores necesitan una forma de ajustar el tiempo de la luz en un núcleo con respecto a otro sin desmontar la fibra o utilizar equipos externos voluminosos.

Un equipo de investigadores en Chile ha encontrado una solución sorprendentemente sencilla a este problema al reutilizar una pieza de hardware común. Demostraron que un controlador de polarización en línea comercial, un pequeño dispositivo diseñado originalmente para gestionar la orientación de la luz en fibras estándar de núcleo único, puede utilizarse para controlar con precisión la diferencia de tiempo entre los núcleos de una fibra de núcleo múltiple. En su experimento, el equipo tomó un cordón de conexión estándar que contenía cuatro núcleos portadores de luz y lo colocó dentro de este dispositivo comercial. En lugar de usar el dispositivo de la manera prevista, que implica retorcer la fibra para rotar la orientación de la luz, fijaron el ángulo de la fibra y simplemente aplicaron cantidades variables de presión mediante un mecanismo de tornillo. Esta presión comprime la fibra, creando un patrón específico de estrés que viaja a través del vidrio.

Los investigadores descubrieron que, cuando apretaban la fibra en una dirección específica, esta actuaba como un temporizador preciso para la luz. Al girar el tornillo, podían cambiar el tiempo de llegada de la luz en un núcleo con respecto a otro. Cuando probaron esto con luz polarizada en una dirección específica, pudieron desplazar el tiempo casi un radián, un cambio significativo y reversible que podía repetirse muchas veces. Crucialmente, este ajuste ocurrió enteramente dentro de la cubierta de la fibra; la luz nunca tuvo que salir del hilo de vidrio para ser manipulada, y no se requirió óptica externa compleja. Este hallazgo ofrece un método práctico, de bajo costo y compacto para estabilizar el delicado tiempo requerido para los sistemas avanzados de fibra óptica.

Para entender exactamente qué estaba sucediendo, el equipo analizó cómo la presión afectaba al vidrio. Cuando la fibra se comprime, se vuelve ligeramente diferente para la luz que viaja en distintas direcciones, una propiedad conocida como birrefringencia. Los investigadores utilizaron un modelo simplificado de un disco siendo comprimido desde lados opuestos para predecir cómo se comportaría este estrés. Su modelo sugería que, si la luz entra en la fibra alineada con la dirección del apretón, el dispositivo cambiaría el tiempo de la luz en los núcleos sin alterar la orientación de la misma. Sus experimentos confirmaron este comportamiento. Al medir la luz que salía de cada uno de los cuatro núcleos, verificaron que el estado de polarización permanecía estable mientras el tiempo se desplazaba. Esto confirmó que el dispositivo estaba actuando como un purificador de fase, un requisito vital para las aplicaciones interferométricas para las que estas fibras están diseñadas.

El equipo también midió cuánto cambiaba realmente el tiempo creando un patrón de interferencia entre dos de los núcleos. Observaron que, a medida que ciclaban la presión hacia arriba y hacia abajo, el patrón de interferencia se desplazaba de un lado a otro de una manera predecible. Para la luz que entraba con una polarización vertical, midieron un desplazamiento de tiempo de 0,95 radianes, con un desplazamiento mínimo garantizado de 0,38 radianes independientemente de las condiciones iniciales. Para la luz con una polarización horizontal, el efecto fue menor, alcanzando como máximo 0,59 radianes. Esta diferencia muestra que el rendimiento del dispositivo depende de la orientación de la luz, pero al alinear correctamente la entrada, podían lograr un efecto fuerte y controlable. Los investigadores señalaron que el dispositivo exhibía cierta "memoria mecánica", lo que significa que la fibra tardaba un momento en asentarse tras apretarla repetidamente, pero esta respuesta lenta no es un problema para el uso previsto. Dado que el objetivo es estabilizar señales que derivan lentamente en lugar de conmutarlas a altas velocidades, un sistema de control podría rastrear y compensar fácilmente estos cambios lentos.

Este trabajo representa un paso significativo hacia la aplicación práctica de la tecnología de fibra de núcleo múltiple en el mundo real. Al demostrar que un componente estándar de baja pérdida puede utilizarse para controlar el tiempo entre núcleos, los investigadores han proporcionado una herramienta que no requiere una fabricación especial ni configuraciones complejas. La capacidad de ajustar la fase de la luz en un núcleo con respecto a otro sin extraer la luz de la fibra abre la puerta a redes ópticas más estables y eficientes. Aunque la cantidad específica de desplazamiento depende de la geometría exacta de la fibra y del dispositivo, el hallazgo central es robusto: un simple apretón puede sintonizar con precisión el tiempo de la luz en una fibra de núcleo múltiple. Este enfoque evita la necesidad de separar las fibras en cuerdas de núcleo único independientes o utilizar óptica de espacio libre, manteniendo todo el sistema compacto e integrado. Los investigadores sugieren que, al apilar múltiples dispositivos o utilizar actuadores más rápidos, se podrían lograr desplazamientos de tiempo aún mayores, permitiendo potencialmente el control total sobre la trayectoria y el tiempo de la luz dentro de un sistema de fibra única.