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

在现代通信领域，光通过被称为光纤的玻璃细丝进行传输，以携带海量的信息。几十年来，这些细丝一直受限于单通道，就像一条单车道的公路。为了应对日益增长的数据需求，科学家们开发了多芯光纤，将多个独立的通信通道（即“芯”）封装在单根玻璃纤维中。这类似于将那条单车道公路变成多车道的超级公路，允许更多的交通流量在相同的物理空间内流动。然而，这些并行车道不仅仅是独立的管道；它们还可以协同工作。通过精确控制不同光芯中光波的时刻或相位，工程师可以制造出紧凑型器件，以实现单芯光纤无法实现的信号拆分、组合或路由功能。这种能力对于经典数据网络和新兴的量子技术都至关重要。然而，一个主要障碍始终存在：这些光纤中的光波对环境极其敏感。温度的变化甚至极其轻微的机械应力都会导致光的时刻发生漂移，从而破坏这些先进应用所需的精细干涉图样。为了解决这个问题，研究人员需要一种方法，能够在不拆解光纤或使用笨重外部设备的情况下，调整一个光芯相对于另一个光芯的光时。

智利的一个研究小组通过重新利用一个常见的硬件组件，为这个问题找到了一个令人惊喜的简单解决方案。他们证明，一种商用的在线偏振控制器（一种最初设计用于管理标准单芯光纤中光取向的小型设备），可以被用来精确控制多芯光纤之间的时差。在实验中，团队采用了一根包含四个发光核心的标准跳线，并将其放入这个现成的设备中。研究人员并没有按照该设备的预期方式使用它（即通过扭转光纤来旋转光的取向），而是固定了光纤的角度，仅通过螺钉机构施加变化的压力。这种压力挤压光纤，产生一种在玻璃中传播的特定应力模式。

研究人员发现，当他们以特定方向挤压光纤时，它就充当了光的精确计时器。通过转动螺钉，他们可以改变一个光芯相对于另一个光芯的光到达时间。当他们用特定方向偏振的光进行测试时，他们成功实现了近一个弧度的时差偏移，这是一个显著且可逆的变化，并且可以多次重复。至关重要的是，这种调节完全发生在光纤护套内部；光从未离开过玻璃细丝进行操作，也不需要复杂的外部光学器件。这一发现为稳定先进光纤系统所需的精细定时提供了一种实用、低成本且紧凑的方法。

为了准确理解发生了什么，团队观察了压力如何影响玻璃。当光纤被挤压时，它对于沿不同方向传播的光而言会变得略有不同，这种特性被称为双折射。研究人员使用了一个简化的模型——即一个圆盘从相对的两侧被压缩——来预测这种应力将如何表现。他们的模型表明，如果进入光纤的光与挤压方向对齐，该设备将在不改变光取向的情况下改变光在光芯中的定时。他们的实验证实了这种行为。通过测量从四个光芯输出的光，他们验证了偏振态保持稳定，而定时发生了偏移。这证实了该设备实际上是一个纯相位移器，这是这些光纤所设计的干涉应用的一个核心要求。

团队还通过在两个光芯之间创建干涉图样，测量了定时实际变化了多少。他们观察到，随着他们循环增加和减少压力，干涉图样会以可预测的方式前后移动。对于垂直偏振进入的光，他们测量到了0.95 弧度的定时偏移，并且无论初始条件如何，都能保证至少有 0.38 弧度的偏移。对于水平偏振的光，效果较小，最高达到 0.59 弧度。这种差异表明，该设备的性能取决于光的取向，但通过正确对准输入方向，可以实现强有力且可控的效果。研究人员指出，该设备表现出一些“机械记忆”，这意味着在反复挤压后，光纤需要一段时间才能稳定下来，但这种缓慢的响应对于预期用途并非问题。由于目标是稳定缓慢漂移的信号而非进行高速切换，控制系统可以轻松追踪并补偿这些缓慢的变化。

这项工作代表了使多芯光纤技术在实际应用中变得可行的重要一步。通过展示一种标准的、低损耗的组件如何被用于控制多芯之间的定时，研究人员提供了一种无需特殊制造或复杂设置的工具。这种在不将光从光纤中移除的情况下调节一个光芯相对于另一个光芯相位的能力，为更稳定、更高效的光网络打开了大门。虽然具体的偏移量取决于光纤的具体几何形状和设备，但其核心发现是稳健的：简单的挤压可以精确调节多芯光纤中的光定时。这种方法避免了将光纤展开成独立的单芯线条或使用自由空间光学系统的需求，保持了整个系统的紧凑性和集成性。研究人员建议，通过堆叠多个设备或使用更快的执行器，甚至可以实现更大的定时偏移，从而可能实现对单个全光纤系统中光路径和定时的全面控制。