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

Nel mondo della comunicazione moderna, la luce viaggia attraverso fili di vetro chiamati fibre ottiche per trasportare enormi quantità di informazioni. Per decenni, questi fili sono stati limitati a un singolo canale, come una strada a corsia singola. Per gestire la crescente domanda di dati, gli scienziati hanno sviluppato fibre multi-core, che racchiudono diversi canali di luce indipendenti, o core, in un unico filamento di vetro. Questo è simile a trasformare quella strada a corsia singola in una superstrada a più corsie, permettendo a molto più traffico di fluire attraverso lo stesso spazio fisico. Tuttavia, queste corsie parallele non sono solo tubi separati; possono anche lavorare insieme. Controllando attentamente il tempo, o fase, delle onde luminose in diversi core, gli ingegneri possono creare dispositivi compatti che dividono, combinano o instradano i segnali in modi che sono impossibili con le fibre a core singolo. Questa capacità è essenziale sia per le reti di dati classiche che per le emergenti tecnologie quantistiche. Eppure, un ostacolo principale è rimasto: le onde luminose in queste fibre sono incredibilmente sensibili al loro ambiente. I cambiamenti di temperatura o anche il minimo stress meccanico causano una deriva nel tempo della luce, rovinando i delicati schemi di interferenza necessari per queste applicazioni avanzate. Per risolvere questo problema, i ricercatori hanno bisogno di un modo per regolare il tempo della luce in un core rispetto a un altro senza smontare la fibra o utilizzare apparecchiature esterne ingombranti.

Un team di ricercatori in Cile ha trovato una soluzione sorprendentemente semplice a questo problema riutilizzando un comune pezzo di hardware. Hanno dimostrato che un controllore di polarizzazione in linea commerciale, un piccolo dispositivo originariamente progettato per gestire l'orientamento della luce nelle normali fibre a core singolo, può essere utilizzato per controllare precisamente la differenza di tempo tra i core di una fibra multi-core. Nel loro esperimento, il team ha preso un normale patchcord contenente quattro core che trasportano luce e lo ha inserito in questo dispositivo standard. Invece di usare il dispositivo nel suo modo previsto, che consiste nel ruotare l'orientamento della luce della fibra, hanno fissato l'angolo della fibra e hanno semplicemente applicato varie quantità di pressione utilizzando un meccanismo a vite. Questa pressione comprime la fibra, creando un modello specifico di stress che viaggia attraverso il vetro.

I ricercatori hanno scoperto che quando schiacciavano la fibra in una direzione specifica, questa agiva come un preciso temporizzatore per la luce. Girando la vite, potevano cambiare il tempo di arrivo della luce in un core rispetto a un altro. Quando hanno testato questo con luce polarizzata in una direzione specifica, sono stati in grado di spostare il tempo di quasi un radiante, un cambiamento significativo e reversibile che poteva essere ripetuto molte volte. Fondamentalmente, questa regolazione avveniva interamente all'interno della guaina della fibra; la luce non doveva mai uscire dal filo di vetro per essere manipolata, e non erano richiesti complessi componenti ottici esterni. Questa scoperta offre un metodo pratico, a basso costo e compatto per stabilizzare il delicato tempo richiesto per le applicazioni avanzate a fibra ottica.

Per capire esattamente cosa stesse accadendo, il team ha esaminato come la pressione influenzasse il vetro. Quando la fibra viene schiacciata, diventa leggermente diversa per la luce che viaggia in diverse direzioni, una proprietà nota come birifrangenza. I ricercatori hanno utilizzato un modello semplificato di un disco compresso da lati opposti per prevedere come si sarebbe comportato questo stress. Il loro modello suggeriva che se la luce entra nella fibra allineata con la direzione della compressione, il dispositivo cambierebbe il tempo della luce nei core senza alterarne l'orientamento. I loro esperimenti hanno confermato questo comportamento. Misurando la luce in uscita da ciascuno dei quattro core, hanno verificato che lo stato di polarizzazione rimaneva stabile mentre il tempo cambiava. Ciò ha confermato che il dispositivo stava agendo come un puro sfasatore, un requisito vitale per le applicazioni interferometriche che queste fibre sono progettate per supportare.

Il team ha anche misurato quanto effettivamente cambiasse il tempo creando un pattern di interferenza tra due dei core. Hanno osservato che, mentre ciclavano la pressione su e giù, il pattern di interferenza si spostava avanti e indietro in modo prevedibile. Per la luce in entrata con una polarizzazione verticale, hanno misurato uno spostamento temporale di 0,95 radianti, con uno spostamento minimo garantito di 0,38 radianti indipendentemente dalle condizioni iniziali. Per la luce con una polarizzazione orizzontale, l'effetto era minore, raggiungendo al massimo 0,59 radianti. Questa differenza mostra che le prestazioni del dispositivo dipendono dall'orientamento della luce, ma allineando correttamente l'ingresso, si poteva ottenere un effetto forte e controllabile. I ricercatori hanno notato che il dispositivo esibiva una certa "memoria meccanica", il che significa che la fibra impiegava un momento per assestarsi dopo ripetute compressioni, ma questa risposta lenta non è un problema per l'uso previsto. Poiché l'obiettivo è stabilizzare segnali lenti e soggetti a deriva, piuttosto che commutarli ad alta velocità, un sistema di controllo potrebbe facilmente tracciare e compensare questi lenti cambiamenti.

Questo lavoro rappresenta un passo significativo verso la resa pratica della tecnologia a fibra multi-core per l'uso nel mondo reale. Dimostrando che un componente standard a bassa perdita può essere utilizzato per controllare il tempo tra i core, i ricercatori hanno fornito uno strumento che non richiede una produzione speciale o configurazioni complesse. La capacità di regolare la fase della luce in un core rispetto a un altro senza rimuovere la luce dalla fibra apre la porta a reti ottiche più stabili ed efficienti. Sebbene lo spostamento specifico dipenda dalla geometria esatta della fibra e del dispositivo, il risultato fondamentale è robusto: una semplice compressione può sintonizzare precisamente il tempo della luce in una fibra multi-core. Questo approccio evita la necessità di distribuire le fibre in separati filamenti a core singolo o di utilizzare l'ottica in spazio libero, mantenendo l'intero sistema compatto e integrato. I ricercatori suggeriscono che impilando più dispositivi o utilizzando attuatori più veloci, si potrebbero ottenere persino spostamenti temporali più ampi, permettendo potenzialmente il controllo totale sul percorso e sul tempo della luce all'interno di un singolo sistema interamente a fibra.