Digitally enhanced Multi-wavelength Stabilization using a Passive Fiber Frequency Reference
यह शोध पत्र एक एकल निष्क्रिय फाइबर इंटरफेरोमीटर के साथ कोड-आधारित मल्टीप्लेक्सिंग का उपयोग करके, 85 GHz की दूरी पर स्थित लेजरों के बीच आवृत्ति को स्थिर करने और स्थानांतरित करने के लिए एक स्केलेबल, कॉम्ब-मुक्त विधि प्रदर्शित करता है, जो सब-kHz/ स्थानांतरित शोर और 1 सेकंड पर विभेदक भिन्नात्मक स्थिरता प्राप्त करता है।
मूल पेपर CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/) के तहत लाइसेंस किया गया है। नीचे दिए गए पेपर की यह व्याख्या AI से तैयार की गई है। इसे लेखकों ने न तो लिखा है, न इसका समर्थन किया है। तकनीकी सटीकता के लिए मूल पेपर देखें। पूरा डिस्क्लेमर पढ़ें
सटीक विज्ञान की दुनिया में, प्रकाश को अक्सर एक पैमाने (रूलर) के रूप में माना जाता है। जब शोधकर्ताओं को अत्यधिक सटीकता के साथ दूरियों को मापने, महाद्वीपों के बीच घड़ियों को सिंक्रनाइज़ करने, या ऐसे गुप्त संदेश भेजने की आवश्यकता होती है जिन्हें बीच में रोका न जा सके, तो वे लेजर प्रकाश की स्थिर लय पर भरोसा करते हैं। हालाँकि, दो अलग-अलग लेजरों को पूर्ण तालमेल में रखना बेहद कठिन है। मामूली कंपन, तापमान में बदलाव, या हवा में एक छोटा सा परिवर्तन भी उनकी आवृत्तियों (फ्रीक्वेंसी) को एक-दूसरे से दूर धकेल सकता है, जिससे माप खराब हो सकता है या संचार लिंक टूट सकता है। दशकों से, वैज्ञानिक इसे एक एकल, अत्यंत स्थिर संदर्भ (रेफरेंस) से लेजरों को लॉक करके हल करते रहे हैं, लेकिन एक साथ कई लेजरों के लिए ऐसा करना आमतौर पर जटिल और महंगी मशीनरी की मांग करता है जो एक विशाल ऑर्केस्ट्रा कंडक्टर की तरह काम करती है, यह सुनिश्चित करती है कि हर वाद्य यंत्र एक ही स्वर बजाए।
शोधकर्ताओं की एक टीम ने अब कई लेजरों को तालमेल में रखने का एक सरल और अधिक लचीला तरीका प्रदर्शित किया है। एक साझा संदर्भ के रूप में एक निष्क्रिय फाइबर-ऑप्टिक केबल का उपयोग करके और संकेतों को अलग करने के लिए एक चतुर डिजिटल तकनीक का उपयोग करके, वे दो लेजरों को सफलतापूर्वक स्थिर करने में सफल रहे जो आवृत्ति में एक बड़े अंतर पर स्थित थे। यह उपलब्धि संकेत देती है कि पारंपरिक फ्रीक्वेंसी-कॉम्ब सिस्टम के भारी ओवरहेड के बिना क्वांटम संचार और उच्च-परिशुद्धता सेंसिंग के लिए स्केलेबल नेटवर्क बनाने की दिशा में एक नया मार्ग प्रशस्त हुआ है। यह कार्य सिद्ध करता है कि प्रकाश के विभिन्न रंगों के बीच एक स्थिर संबंध बनाए रखना एक एकल, शांत फाइबर लाइन का उपयोग करके संभव है, जो अधिक मजबूत और अनुकूलनीय ऑप्टिकल प्रौद्योगिकियों के द्वार खोलता है।
स्वीडन और ऑस्ट्रेलिया के संस्थानों में कार्यरत शोधकर्ताओं ने एक विशिष्ट चुनौती पर ध्यान केंद्रित किया: कैसे दो लेजरों को, जो आवृत्ति में 85.42 गीगाहर्ट्ज़ दूर थे, केवल एक साझा संदर्भ का उपयोग करके पूरी तरह से सिंक्रनाइज़ रखा जाए। अपने सेटअप में, उन्होंने दो फाइबर लेजरों का उपयोग किया, जिनमें से एक 1549.9185 नैनोमीटर की तरंग दैर्ध्य (वेवलेंथ) पर ट्यून किया गया था और दूसरा 1549.2343 नैनोमीटर पर। उन्हें जोड़ने के लिए, उन्होंने दोनों बीमों को एक पैसिव फाइबर इंटरफेरोमीटर में भेजा, जो मानक ऑप्टिकल फाइबर से बना एक उपकरण है जिसे एक लूप के रूप में व्यवस्थित किया गया है जहाँ एक पथ दूसरे की तुलना में थोड़ा लंबा होता है। पथ की लंबाई में यह अंतर प्रकाश तरंगों को एक-दूसरे के साथ हस्तक्षेप (इंटरफेयर) करने का कारण बनता है, जिससे एक ऐसा सिग्नल उत्पन्न होता है जो यह प्रकट करता है कि लेजर की आवृत्ति कितनी विचलित हुई है।
नवाचार इस बात में निहित है कि वे इस सिग्नल को कैसे पढ़ते हैं। फाइबर लूप के भीतर सक्रिय इलेक्ट्रॉनिक घटकों का उपयोग करने के बजाय, जो शोर और अस्थिरता पैदा कर सकते हैं, उन्होंने लूप के बाहर लेजरों को अद्वितीय डिजिटल कोड के साथ मॉड्यूलेट किया। कल्पना कीजिए कि प्रत्येक लेजर फेज शिफ्ट के एक तीव्र अनुक्रम से बना एक विशिष्ट, अदृश्य फिंगरप्रिंट ले जा रहा है। जब ये कोडेड सिग्नल फाइबर इंटरफेरोमीटर के माध्यम से यात्रा करते हैं, तो वे आपस में मिल जाते हैं, लेकिन क्योंकि प्रत्येक लेजर का अपना अनूठा कोड है, शोधकर्ता डिजिटल सिग्नल प्रोसेसिंग का उपयोग करके उन्हें अलग कर सकते थे। यह तकनीक, जिसे कोड-आधारित मल्टीप्लेक्सिंग कहा जाता है, ने उन्हें एक ही डिटेक्टर से प्रत्येक लेजर की आवृत्ति जानकारी निकालने की अनुमति दी, जिससे प्रभावी रूप से एक ही फाइबर लूप को एक साथ दो अलग-अलग माप उपकरणों के रूप में उपयोग किया जा सका।
प्रयोग के परिणाम सटीक और सुदृढ़ थे। साढ़े तीन दिनों की अवधि में, सिस्टम ने दूसरे लेजर को पहले लेजर के साथ प्लस या माइनस 300 किलोहर्ट्ज़ की सीमा के भीतर लॉक रखा। जब शोधकर्ताओं ने दोनों लेजरों के बीच के कनेक्शन की स्थिरता को मापा, तो उन्होंने पाया कि एक सेकंड पर विभेदक भिन्नात्मक स्थिरता (डिफरेंशियल फ्रैक्शनल स्टेबिलिटी) 7 x 10^-13 थी। इसका अर्थ है कि एक एकल सेकंड की अवधि में, दोनों लेजरों के बीच सापेक्ष आवृत्ति अंतर अविश्वसनीय रूप से कम था। इसके अलावा, सिस्टम ने दिखाया कि 40 मिलीहर्ट्ज़ से ऊपर की आवृत्तियों के लिए लेजरों के बीच स्थानांतरित होने वाला शोर एक किलोहर्ट्ज़ प्रति वर्गमूल हर्ट्ज़ से कम स्तर तक दबा दिया गया था। शोर की यह ऊपरी सीमा इंगित करती है कि सिस्टम उन पर्यावरणीय झटकों (जिटर्स) को फ़िल्टर करने में अत्यधिक प्रभावी है जो आमतौर पर इतने संवेदनशील मापों को प्रभावित करते हैं।
टीम ने अपने सिस्टम के लचीलेपन का भी परीक्षण किया। उन्होंने प्रदर्शित किया कि लॉक पॉइंट, या दो लेजरों के बीच का विशिष्ट आवृत्ति संबंध, 122 हर्ट्ज़ के रिज़ॉल्यूशन के साथ डिजिटल रूप से ट्यून किया जा सकता है। इसका अर्थ है कि वे लॉक खोए बिना बहुत सूक्ष्म चरणों में लॉक किए गए लेजर की लक्षित आवृत्ति को बदल सकते हैं, जो गतिशील समायोजन की आवश्यकता वाले अनुप्रयोगों के लिए एक महत्वपूर्ण विशेषता है। उन्होंने सिस्टम की सीमाओं की भी जांच की, विशेष रूप से कैसे फाइबर इंटरफेरोमीटर की भौतिक लंबाई, जो तापमान के साथ थोड़ी बदल जाती है, माप को प्रभावित करती है। उन्होंने पाया कि हालांकि सिस्टम सामान्य शोर को रद्द करने में उत्कृष्ट है, फिर भी एक छोटा अवशिष्ट कपलिंग (रेसिड्यूअल कपलिंग) मौजूद है जहाँ फाइबर की लंबाई में परिवर्तन दो अलग-अलग तरंग दैर्ध्य वाले लेजरों को थोड़ा अलग तरह से प्रभावित करता है। इस प्रभाव को 700 पार्ट्स प्रति मिलियन के स्तर पर मापा गया, जिससे यह पहचान में आया कि यही दीर्घकालिक स्थिरता को सीमित करने वाला प्राथमिक कारक है।
इस मामूली सीमा के बावजूद, यह आर्किटेक्चर मौजूदा तरीकों का एक सम्मोहक विकल्प प्रदान करता है। पारंपरिक दृष्टिकोण अक्सर ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी कॉम्ब्स पर निर्भर करते हैं, जो जटिल उपकरण हैं और एक पैमाने (रूलर) के रूप में समान रूप से अंतराल वाली आवृत्तियों का स्पेक्ट्रम उत्पन्न करते हैं। शक्तिशाली होने के बावजूद, ये कॉम्ब्स भारी और महंगे हो सकते हैं। नया तरीका समान स्थिरीकरण प्राप्त करने के लिए एक एकल फाइबर संदर्भ और डिजिटल डिकोडिंग का उपयोग करता है, जो कई लेजरों के लिए एक लागत प्रभावी और स्केलेबल समाधान प्रदान करता है। शोधकर्ताओं ने उल्लेख किया कि उनके सिस्टम को अधिक अद्वितीय कोड और मॉड्यूलेटर जोड़कर कई और लेजरों को संभालने के लिए विस्तारित किया जा सकता है, बशर्ते कि डिजिटल प्रोसेसिंग क्षमता उपलब्ध हो। यह स्केलेबिलिटी इस तकनीक को भविष्य के क्वांटम नेटवर्क के लिए विशेष रूप से आकर्षक बनाती है, जहाँ कई उपयोगकर्ताओं को लंबी दूरी तक एक स्थिर आवृत्ति संदर्भ साझा करने की आवश्यकता हो सकती है।
इस कार्य के निहितार्थ केवल लेजरों को तालमेल में रखने तक ही सीमित नहीं हैं। उच्च परिशुद्धता के साथ कई प्रकाश स्रोतों को स्थिर करने की क्षमता क्वांटम की डिस्ट्रीब्यूशन (QKD) जैसे प्रौद्योगिकियों के लिए आवश्यक है, जहाँ संदेश की सुरक्षा प्रकाश तरंगों के बीच के फेज संबंध पर निर्भर करती है। यह ट्यूनेबल टेराहर्ट्ज़ जनरेशन और ऑप्टिकल फ्रीक्वेंसी ट्रांसफर जैसे अनुप्रयोगों का भी समर्थन करता है, जहाँ विभिन्न रंगों के प्रकाश के बीच सटीक आवृत्ति अंतर बनाए रखना महत्वपूर्ण है। यह सिद्ध करके कि एक निष्क्रिय फाइबर संदर्भ को डिजिटल रूप से कई तरंग दैर्ध्यों को संभालने के लिए उन्नत किया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने अधिक लचीली और अनुकूलनीय ऑप्टिकल प्रणालियों के निर्माण के लिए एक ब्लूप्रिंट प्रदान किया है। यह प्रयोग पुष्टि करता है कि सही डिजिटल उपकरणों के साथ, फाइबर का एक साधारण टुकटा भविष्य के सटीक फोटोनिक्स के लिए एक शक्तिशाली आधार बन सकता है।
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