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

आधुनिक संचार की दुनिया में, सूचना की विशाल मात्रा को ले जाने के लिए प्रकाश कांच के धागों के माध्यम से यात्रा करता है जिन्हें ऑप्टिकल फाइबर कहा जाता है। दशकों से, ये धागे एक एकल चैनल तक सीमित रहे हैं, जैसे कि एक सिंगल-लेन हाईवे। डेटा की बढ़ती मांग को संभालने के लिए, वैज्ञानिकों ने मल्टी-कोर फाइबर विकसित किए हैं, जो एक ही कांच के स्ट्रैंड में कई स्वतंत्र प्रकाश चैनलों, या कोर को पैक करते हैं। यह उस सिंगल-लेन हाईवे को मल्टी-लेन सुपरहाइवे में बदलने जैसा है, जिससे एक ही भौतिक स्थान के माध्यम से बहुत अधिक ट्रैफिक प्रवाहित हो सके। हालाँकि, ये समानांतर लेन केवल अलग पाइप नहीं हैं; वे मिलकर भी काम कर सकते हैं। विभिन्न कोर में प्रकाश तरंगों के समय, या 'फेज' (phase) को सावधानीपूर्वक नियंत्रित करके, इंजीनियर ऐसे कॉम्पैक्ट उपकरण बना सकते हैं जो संकेतों को उन तरीकों से विभाजित, संयोजित या रूट कर सकते हैं जो सिंगल-कोर फाइबर के साथ असंभव है। यह क्षमता शास्त्रीय डेटा नेटवर्क और उभरती हुई क्वांटम प्रौद्योगिकियों, दोनों के लिए आवश्यक है। फिर भी, एक बड़ी बाधा बनी हुई है: इन फाइबरों में प्रकाश तरंगें अपने वातावरण के प्रति अविश्वसनीय रूप से संवेदनशील होती हैं। तापमान में परिवर्तन या मामूली यांत्रिक तनाव भी प्रकाश के समय (timing) को विचलित कर देता है, जिससे इन उन्नत अनुप्रयोगों के लिए आवश्यक नाजुक हस्तक्षेप पैटर्न (interference patterns) खराब हो जाते हैं। इसे ठीक करने के लिए, शोधकर्ताओं को एक तरीका चाहिए जिससे वे फाइबर को अलग किए बिना या भारी बाहरी उपकरणों का उपयोग किए बिना, एक कोर के सापेक्ष दूसरे कोर में प्रकाश के समय को समायोजित किया जा सके।

चिली की एक शोध टीम ने एक सामान्य हार्डवेयर का पुन: उपयोग करके इस समस्या का एक आश्चर्यजनक रूप से सरल समाधान खोजा है। उन्होंने प्रदर्शित किया कि एक वाणिज्यिक 'इनलाइन पोलराइजेशन कंट्रोलर', जिसे मूल रूप से मानक सिंगल-कोर फाइबर में प्रकाश के ओरिएंटेशन को प्रबंधित करने के लिए डिज़ाइन किया गया था, का उपयोग मल्टी-कोर फाइबर के बीच समय के अंतर को सटीक रूप से नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है। अपने प्रयोग में, टीम ने एक मानक पैचकॉर्ड लिया जिसमें चार प्रकाश-वाहक कोर थे और उसे इस ऑफ-द-शेल्फ डिवाइस के भीतर रखा। डिवाइस का इच्छित उपयोग करने के बजाय, जिसमें प्रकाश के ओरिएंटेशन को घुमाने के लिए फाइबर को मरोड़ा जाता है, उन्होंने फाइबर के कोण को स्थिर रखा और केवल एक स्क्रू तंत्र का उपयोग करके अलग-अलग मात्रा में दबाव डाला। यह दबाव फाइबर को दबाता है, जिससे कांच के माध्यम से यात्रा करने वाला एक विशिष्ट तनाव पैटर्न बनता है।

शोधकर्ताओं ने पाया कि जब उन्होंने एक विशिष्ट दिशा में फाइबर को दबाया, तो इसने प्रकाश के लिए एक सटीक टाइमर के रूप में कार्य किया। स्क्रू को घुमाकर, वे एक कोर में दूसरे के सापेक्ष प्रकाश के आगमन के समय को बदल सकते थे। जब उन्होंने इसका परीक्षण एक विशिष्ट दिशा में ध्रुवीकृत (polarized) प्रकाश के साथ किया, तो वे समय को लगभग एक रेडियन तक स्थानांतरित करने में सक्षम रहे, जो एक महत्वपूर्ण और प्रतिवर्ती परिवर्तन है जिसे कई बार दोहराया जा सकता है। महत्वपूर्ण रूप से, यह समायोजन पूरी तरह से फाइबर जैकेट के भीतर हुआ; प्रकाश को हेरफेर करने के लिए कांच के धागे से बाहर निकलने की आवश्यकता नहीं पड़ी, और किसी जटिल बाहरी ऑप्टिक्स की आवश्यकता नहीं थी। यह खोज उन्नत फाइबर-ऑप्टिक प्रणालियों के लिए आवश्यक नाजुक टाइमिंग को स्थिर करने का एक व्यावहारिक, कम लागत वाला और कॉम्पैक्ट तरीका प्रदान करती है।

टीम ने यह समझने के लिए कि वास्तव में क्या हो रहा था, दबाव से कांच कैसे प्रभावित होता है, इस पर गौर किया। जब फाइबर को दबाया जाता है, तो यह अलग-अलग दिशाओं में यात्रा करने वाले प्रकाश के लिए थोड़ा भिन्न हो जाता है, जिसे 'बाइरेफ्रिंजेंस' (birefringence) नामक गुण कहा जाता है। शोधकर्ताओं ने यह अनुमान लगाने के लिए कि यह तनाव कैसे व्यवहार करेगा, विपरीत दिशाओं से दबे हुए एक डिस्क के सरलीकृत मॉडल का उपयोग किया। उनके मॉडल ने सुझाव दिया कि यदि प्रकाश फाइबर में दबाव की दिशा के साथ संरेखित होकर प्रवेश करता है, तो डिवाइस प्रकाश के ओरिएंटेशन को बदले बिना उसके समय को बदल देगा। उनके प्रयोगों ने इस व्यवहार की पुष्टि की। प्रत्येक चार कोर से आने वाले प्रकाश को मापकर, उन्होंने सत्यापित किया कि पोलराइजेशन की स्थिति स्थिर रही जबकि समय बदल गया। इसने पुष्टि की कि डिवाइस एक शुद्ध 'फेज शिफ्टर' के रूप में कार्य कर रहा था, जो एक महत्वपूर्ण आवश्यकता है जिसे ये फाइबर समर्थित करने के लिए डिज़ाइन किए गए हैं।

टीम ने यह भी मापा कि समय वास्तव में कितना बदला, इसके लिए दो कोर के बीच एक हस्तक्षेप पैटर्न (interference pattern) बनाया। उन्होंने देखा कि जैसे-जैसे उन्होंने दबाव को ऊपर-नीचे किया, हस्तक्षेप पैटर्न एक अनुमानित तरीके से आगे-पीछे हुआ। वर्टिकल पोलराइजेशन वाले प्रकाश के लिए, उन्होंने 0.95 रेडियन का टाइमिंग शिफ्ट मापा, जिसमें शुरुआती स्थितियों के बावजूद 0.38 रेडियन का गारंटीकृत न्यूनतम शिफ्ट था। हॉरिजॉन्टल पोलराइजेशन वाले प्रकाश के लिए, प्रभाव छोटा था, जो अधिकतम 0.59 रेडियन तक पहुँचा। यह अंतर दिखाता है कि डिवाइस का प्रदर्शन प्रकाश के ओरिएंटेशन पर निर्भर करता है, लेकिन इनपुट को सही ढंग से संरेखित करके, वे एक मजबूत, नियंत्रणीय प्रभाव प्राप्त कर सकते थे। शोधकर्ताओं ने नोट किया कि डिवाइस में कुछ "मैकेनिकल मेमोरी" थी, जिसका अर्थ है कि बार-बार दबाने के बाद फाइबर को स्थिर होने में थोड़ा समय लगता है, लेकिन यह धीमा रिस्पॉन्स उन कार्यों के लिए समस्या नहीं है जिनके लिए इसे बनाया गया है। चूंकि लक्ष्य उच्च गति पर स्विच करने के बजाय धीमे, ड्रिफ्टिंग सिग्नल्स को स्थिर करना है, इसलिए एक कंट्रोल सिस्टम आसानी से इन धीमी परिवर्तनों को ट्रैक और क्षतिपूर्ति कर सकता है।

यह कार्य मल्टी-कोर फाइबर तकनीक को वास्तविक दुनिया के उपयोग के लिए व्यावहारिक बनाने की दिशा में एक महत्वपूर्ण कदम है। यह दिखाकर कि एक मानक, लो-लॉस घटक का उपयोग मल्टी-कोर फाइबर के बीच समय को नियंत्रित करने के लिए किया जा सकता है, शोधकर्ताओं ने एक ऐसा उपकरण प्रदान किया है जिसके लिए किसी विशेष निर्माण या जटिल सेटअप की आवश्यकता नहीं है। एक कोर में दूसरे के सापेक्ष प्रकाश के फेज को समायोजित करने की क्षमता, बिना प्रकाश को फाइबर से बाहर निकाले, अधिक स्थिर और कुशल ऑप्टिकल नेटवर्क के द्वार खोलती है। हालांकि विशिष्ट शिफ्ट की मात्रा फाइबर और डिवाइस की सटीक ज्यामिति पर निर्भर करती है, मुख्य निष्कर्ष मजबूत है: एक साधारण दबाव मल्टी-कोर फाइबर में प्रकाश के समय को सटीक रूप से ट्यून कर सकता है। यह दृष्टिकोण फाइबर को अलग-अलग सिंगल-कोर स्ट्रैंड्स में फैलाने या फ्री-स्पेस ऑप्टिक्स का उपयोग करने की आवश्यकता को समाप्त करता है, जिससे पूरा सिस्टम कॉम्पैक्ट और एकीकृत रहता है। शोधकर्ता सुझाव देते हैं कि कई उपकरणों को जोड़ने या तेज़ एक्चुएटर्स का उपयोग करके, यहाँ तक कि बड़े टाइमिंग शिफ्ट भी प्राप्त किए जा सकते हैं, जो संभावित रूप से एक ही, ऑल-फाइबर सिस्टम के भीतर प्रकाश के पथ और समय पर पूर्ण नियंत्रण की अनुमति दे सकते हैं।