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

In de wereld van moderne communicatie reist licht door glazen draden die optische vezels worden genoemd om enorme hoeveelheden informatie te vervoeren. Decennialang waren deze draden beperkt tot een enkel kanaal, zoals een eenbaansweg. Om aan de groeiende vraag naar data te voldoen, hebben wetenschappers multi-core vezels ontwikkeld, die meerdere onafhankelijke lichtkanalen, of kernen, in een enkele glazen streng verpakken. Dit is vergelijkbaar met het veranderen van die eenbaansweg in een meerbaans snelweg, waardoor er veel meer verkeer door dezelfde fysieke ruimte kan stromen. Deze parallelle banen zijn echter niet alleen afzonderlijke buizen; ze kunnen ook samenwerken. Door de timing, of fase, van de lichtgolven in verschillende kernen zorgvuldig te controleren, kunnen ingenieurs compacte apparaten creëren die signalen splitsen, combineren of routeren op manieren die onmogelijk zijn met single-core vezels. Deze capaciteit is essentieel voor zowel klassieke datanetwerken als opkomende kwantumtechnologieën. Toch is er een grote hindernis gebleven: de lichtgolven in deze vezels zijn extreamente gevoelig voor hun omgeving. Veranderingen in temperatuur of zelfs de kleinste mechanische spanning veroorzaken een drift in de timing van het licht, wat de delicate interferentiepatronen die nodig zijn voor deze geavanceerde toepassingen ruïneert. Om dit op te lossen, hebben onderzoekers een manier nodig om de timing van het licht in één kern aan te passen ten opzichte van een andere, zonder de vezel uit elkaar te halen of volumineuze externe apparatuur te gebruiken.

Een team onderzoekers in Chili heeft een verrassend eenvoudige oplossing gevonden voor dit probleem door een gangbaar stuk hardware te hergebruiken. Ze demonstreerden dat een commerciële inline polarisatiecontroller, een klein apparaat dat oorspronkelijk is ontworpen om de oriëntatie van licht in standaard single-core vezels te beheren, gebruikt kan worden om het tijdsverschil tussen de kernen van een multi-core vezel nauwkeurig te controleren. In hun experiment nam het team een standaard patchcord die vier lichtdragende kernen bevat en plaatste deze in dit kant-en-klare apparaat. In plaats van het apparaat op de beoogde manier te gebruiken, wat het draaien van de vezel om de oriëntatie van het licht te roteren behelst, hielden zij de hoek van de vezel vast en brachten simpelweg variërende hoeveelheden druk aan met behulp van een schroefmechanisme. Deze druk perst de vezel samen, waardoor een specifiek patroon van spanning ontstaat dat door het glas reist.

De onderzoekers ontdekten dat wanneer ze de vezel in een specifieke richting samenpersten, het apparaat fungeerde als een nauwkeurige timer voor het licht. Door aan de schroef te draaien, konden ze de aankomsttijd van het licht in de ene kern ten opzichte van de andere veranderen. Wanneer ze dit testten met licht dat gepolariseerd is in een specifieke richting, waren ze in staat de timing met bijna één radiaan te verschuiven, een significante en omkeerbare verandering die vele malen herhaald kon worden. Cruciaal was dat deze aanpassing volledig binnen de vezelmantel plaatsvond; het licht hoefde de glazen draad nooit te verlaten om gemanipuleerd te worden, en er was geen complexe externe optica voor nodig. Deze bevinding biedt een praktische, goedkope en compacte methode om de delicate timing te stabiliseren die vereist is voor geavanceerde glasvezel-systemen.

Om precies te begrijpen wat er gebeurde, keek het team naar hoe de druk het glas beïnvloedde. Wanneer de vezel wordt samengeperst, wordt deze iets anders voor licht dat in verschillende richtingen reist, een eigenschap die bekend staat als birezgentie. De onderzoekers gebruikten een vereenvoudigd model van een schijf die van tegenovergestelde zijden wordt samengedrukt om te voorspellen hoe deze spanning zou gedragen. Hun model suggereerde dat als het licht de vezel binnenkomt uitgelijnd met de richting van de compressie, het apparaat de timing van het licht in de kernen zou veranderen zonder de oriëntatie van het licht te wijzigen. Hun experimenten bevestigden dit gedrag. Door het licht dat uit de vier kernen kwam te meten, verifieerden ze dat de polarisatietoestand stabiel bleef terwijl de timing verschoof. Dit bevestigde dat het apparaat fungeerde als een zuivere faseverschuiver, een vitale vereiste voor de interferometrische toepassingen waarvoor deze vezels zijn ontworend.

Het team mat ook hoe de timing daadwerkelijk veranderde door een interferentiepatroon tussen twee van de kernen te creëren. Ze observeerden dat naarmate ze de druk op en neer cycleerden, het interferentiepatroon op een voorspelbare manier heen en weer verschoof. Voor licht dat binnenkwam met een verticale polarisatie, maten ze een tijdverschuiving van 0,95 radialen, met een gegarandeerde minimale verschuiving van 0,38 radialen, ongeacht de begincondities. Voor licht met een horizontale polarisatie was het effect kleiner en bereikte het maximaal 0,59 radialen. Dit verschil laat zien dat de prestaties van het apparaat afhangen van de oriëntatie van het licht, maar door de input correct uit te lijnen, konden ze een sterk, controleerbaar effect bereiken. De onderzoekers merkten op dat het apparaat enige "mechanische geheugen" vertoonde, wat betekent dat de vezel een moment nodig had om te settelen na herhaaldelijk samenpersen, maar deze trage respons is geen probleem voor het beoogde gebruik. Aangezien het doel is om langzame, drijvende signalen te stabiliseren in plaats van ze met hoge snelheden te schakelen, kan een controlesysteem deze langzame veranderingen gemakkelijk volgen en compenseren.

Dit werk vormt een belangrijke stap voorwaarts in het praktisch bruikbaar maken van multi-core vezeltechnologie voor echt wereldgebruik. Door aan te tonen dat een standaard, laagverlies component gebruikt kan worden om de timing tussen kernen te controleren, hebben de onderzoekers een instrument geboden dat geen speciale fabricage of complexe opstellingen vereist. Het vermogen om de fase van het licht in één kern ten opzichte van een andere aan te passen zonder het licht uit de vezel te verwijderen, opent de deur naar stabielere en efficiëntere optische netwerken. Hoewel de specifieke mate van verschuiving afhangt van de exacte geometrie van de vezel en het apparaat, is de kernbevinding robuust: een simpele druk kan de timing van het licht in een multi-core vezel nauwkeurig afstemmen. Deze aanpak vermijdt de noodzaak om de vezels uit te waaieren naar aparte single-core strengen of om vrije-ruimte optica te gebruiken, waardoor het hele systeem compact en geïntegreerd blijft. De onderzoekers suggereren dat door meerdere apparaten te stapelen of snellere actuatoren te gebruiken, zelfs grotere tijdverschuivingen bereikt kunnen worden, wat potentieel volledige controle over het pad en de timing van het licht binnen een enkel, volledig vezel-gebaseerd systeem mogelijk maakt.