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

No mundo da comunicação moderna, a luz viaja através de fios de vidro chamados fibras ópticas para transportar vastas quantidades de informação. Durante décadas, esses fios foram limitados a um único canal, como uma estrada de pista única. Para lidar com a crescente demanda de dados, cientistas desenvolveram fibras de múltiplos núcleos, que agrupam vários canais de luz independentes, ou núcleos, em um único fio de vidro. Isso é semelhante a transformar essa estrada de pista única em uma superestrada de múltiplas faixas, permitindo que muito mais tráfego flua pelo mesmo espaço físico. No entanto, essas faixas paralelas não são apenas tubos separados; elas também podem trabalhar juntas. Ao controlar cuidadosamente o tempo, ou fase, das ondas de luz em diferentes núcleos, engenheiros podem criar dispositivos compactos que dividem, combinam ou roteiam sinais de maneiras que são impossíveis com fibras de núcleo único. Essa capacidade é essencial tanto para redes de dados clássicas quanto para tecnologias quânticas emergentes. No entanto, um grande obstáculo permaneceu: as ondas de luz nessas fibras são incrivelmente sensíveis ao seu ambiente. Mudanças na temperatura ou até o mais leve estresse mecânico causam o desvio no tempo da luz, arruinando os delicados padrões de interferência necessários para essas aplicações avançadas. Para resolver isso, os pesquisadores precisam de uma maneira de ajustar o tempo da luz em um núcleo em relação a outro sem desmontar a fibra ou usar equipamentos externos volumosos.

Uma equipe de pesquisadores no Chile encontrou uma solução surpreendentemente simples para este problema ao reaproveitar uma peça comum de hardware. Eles demonstraram que um controlador de polarização em linha comercial, um pequeno dispositivo originalmente projetado para gerenciar a orientação da luz em fibras padrão de núcleo único, pode ser usado para controlar precisamente a diferença de tempo entre os núcleos de uma fibra de múltiplos núcleos. Em seu experimento, a equipe pegou um patchcord padrão contendo quatro núcleos de transporte de luz e o colocou dentro deste dispositivo pronto para uso. Em vez de usar o dispositivo da maneira pretendida, que envolve torcer a fibra para rotacionar a orientação da luz, eles fixaram o ângulo da fibra e simplesmente aplicaram quantidades variáveis de pressão usando um mecanismo de parafuso. Esta pressão espreme a fibra, criando um padrão específico de estresse que viaja através do vidro.

Os pesquisadores descobriram que, quando espremiam a fibra em uma direção específica, ela agia como um temporizador preciso para a luz. Ao girar o parafuso, eles podiam alterar o tempo de chegada da luz em um núcleo em relação a outro. Quando testaram isso com luz polarizada em uma direção específica, conseguiram deslocar o tempo em quase um radiano, uma mudança significativa e reversível que poderia ser repetida muitas vezes. Crucialmente, esse ajuste aconteceu inteiramente dentro da capa da fibra; a luz nunca teve que sair do fio de vidro para ser manipulada, e nenhum componente óptico externo complexo foi necessário. Essa descoberta oferece um método prático, de baixo custo e compacto para estabilizar o tempo delicado exigido por sistemas de fibra óptica avançados.

Para entender exatamente o que estava acontecendo, a equipe observou como a pressão afetava o vidro. Quando a fibra é espremida, ela se torna ligeiramente diferente para a luz que viaja em diferentes direções, uma propriedade conhecida como birrefringência. Os pesquisadores usaram um modelo simplificado de um disco sendo comprimido de lados opostos para prever como esse estresse se comportaria. Seu modelo sugeriu que, se a luz entrar na fibra alinhada com a direção do aperto, o dispositivo mudaria o tempo da luz nos núcleos sem alterar a orientação da luz. Seus experimentos confirmaram esse comportamento. Ao medir a luz saindo de cada um dos quatro núcleos, eles verificaram que o estado de polarização permaneceu estável enquanto o tempo mudava. Isso confirmou que o dispositivo estava atuando como um puro deslocador de fase, um requisito vital para as aplicações interferométricas que essas fibras foram projetadas para suportar.

A equipe também mediu o quanto o tempo realmente mudou criando um padrão de interferência entre dois dos núcleos. Eles observaram que, conforme ciclavam a pressão para cima e para baixo, o padrão de interferência se deslocava para frente e para trás de uma forma previsível. Para luz entrando com uma polarização vertical, eles mediram um deslocamento de tempo de 0,95 radianos, com um deslocamento mínimo garantido de 0,38 radianos, independentemente das condições iniciais. Para luz com uma polarização horizontal, o efeito foi menor, atingindo no máximo 0,59 radianos. Essa diferença mostra que o desempenho do dispositivo depende da orientação da luz, mas ao alinhar a entrada corretamente, eles puderam alcançar um efeito forte e controlável. Os pesquisadores observaram que o dispositivo exibiu alguma "memória mecânica", significando que a fibra levava um momento para se estabilizar após o esmagamento repetido, mas essa resposta lenta não é um problema para o uso pretendido. Como o objetivo é estabilizar sinais de deriva lenta em vez de alterná-los em altas velocidades, um sistema de controle poderia facilmente rastrear e compensar essas mudanças lentas.

Este trabalho representa um passo significativo para tornar a tecnologia de fibra de múltiplos núcleos prática para o uso no mundo real. Ao mostrar que um componente padrão e de baixa perda pode ser usado para controlar o tempo entre os núcleos, os pesquisadores forneceram uma ferramenta que não requer fabricação especial ou configurações complexas. A capacidade de ajustar a fase da luz em um núcleo em relação a outro sem remover a luz da fibra abre as portas para redes ópticas mais estáveis e eficientes. Embora a quantidade específica de deslocamento dependa da geometria exata da fibra e do dispositivo, a descoberta central é robusta: um simples aperto pode ajustar precisamente o tempo da luz em uma fibra de múltiplos núcleos. Essa abordagem evita a necessidade de separar as fibras em fios de núcleo único distintos ou usar óptica de espaço livre, mantendo todo o sistema compacto e integrado. Os pesquisadores sugerem que, ao empilhar múltiplos dispositivos ou usar atuadores mais rápidos, até mesmo maiores deslocamentos de tempo poderiam ser alcançados, potencialmente permitindo o controle total sobre o caminho e o tempo da luz dentro de um sistema de fibra única.