دانشمندان موسسه ملی استاندارد و فناوری آمریکا به رهبری نازنین حقوقی و فرانک کوینلان موفق شدند سیگنال‌های بسیار دقیق ساعت نوری را از طریق یک کابل فیبر نوری چندهسته‌ای منتقل کنند، بدون اینکه داده‌های معمول مخابراتی را مختل کنند.
به گزارش دیده‌بان علم ایران، این موفقیت می‌تواند امکان انتقال دقیق زمان میان ساعت‌های نوری در نقاط مختلف جهان را فراهم کند، که برای تحقیقات در زمینه فیزیک بنیادی و هماهنگ‌سازی سیستم‌های فوق‌دقیق حیاتی است.
ساعت اپتیکال یا نوری، ساعتی است که از نور برای اندازه‌گیری زمان استفاده می‌کند. این نوع ساعت‌ها، دقت بسیار بالایی دارند و می‌توانند دقیق‌تر از ساعت‌های اتمی زمان را اندازه‌گیری کنند.
حقوقی و همکارانش برای اولین بار نشان داده‌اند که انتقال سیگنال‌های نوری فوق پایدار از ساعت‌های نوری در ده‌ها کیلومتر فیبر چند هسته‌ای، همزمان با انتقال داده‌های مخابراتی قابل انجام است. این دستاورد نشان می‌دهد که می‌توان از شبکه‌های فیبر نوری با ظرفیت بالا برای اتصال ساعت‌های نوری در مکان‌های مختلف استفاده کرد و کاربردهای علمی جدیدی را ممکن ساخت.
با افزایش تقاضای جهانی برای داده‌ها، فیبرهای چند هسته‌ای برای کمک به غلبه بر محدودیت‌های شبکه‌های موجود در حال توسعه هستند. این فیبرها چندین هسته هدایت نور را در یک رشته واحد قرار می‌دهند و ظرفیت کاربردهایی مانند پخش جریانی، مالی و هوش مصنوعی را به میزان قابل توجهی افزایش می‌دهند.
فرانک کوینلان، هم سرپرست تیم تحقیقاتی موسسه ملی استاندارد و فناوری (NIST) در این پروژه گفت: “ما می‌خواستیم ببینیم که آیا فیبر چند هسته‌ای که به صورت تجاری در حال استقرار است، می‌تواند از انتقال سیگنال‌های ساعت نوری در فواصل طولانی – به گونه‌ای سازگار با شبکه‌های مخابراتی – پشتیبانی کند یا خیر. تعریف مجدد قریب‌الوقوع ثانیه بر اساس ساعت‌های نوری و پروتکل‌های مهم شبکه کوانتومی، هر دو به این نوع انتقال سیگنال فوق پایدار متکی هستند.”
نازنین حقوقی، هم سرپرست دیگر تیم تحقیقاتی NIST، گفت: «توانایی حمل سیگنال‌های ساعت‌های اتمی نوری پیشرفته در اقیانوس‌ها می‌تواند امکان پیوند و مقایسه دقیق‌ترین ساعت‌های جهان را بین قاره‌ها فراهم کند. در ابتدا، این می‌تواند به پشتیبانی از اندازه‌گیری‌های با دقت بالا برای تحقیقات فیزیک بنیادی و کار مورد نیاز برای تعریف مجدد ثانیه کمک کند. در نهایت، می‌تواند یک شبکه بین‌المللی، بالقوه حتی بین قاره‌ای از ساعت‌های متصل را فعال کند.»
همکاری در سراسر قاره‌ها
این تحقیق جدید حاصل یک همکاری بین‌المللی بین NIST، Nokia Bell Labs، Sumitomo Electric Industries Ltd. در ژاپن، دانشگاه کلرادو – بولدر و دانشگاه لاکیلا در ایتالیا بود. در حالی که این همکاری منحصر به فرد در ابتدا بر استفاده از لیزرهای کم‌نویز برای حسگری فیبر متمرکز بود، با تکامل گفت‌وگوها، تیم شروع به فکر کردن در مورد اینکه آیا فیبر چند هسته‌ای – که در ابتدا برای انتقال داده با ظرفیت بالا طراحی شده بود – ممکن است از انتقال دقیق سیگنال‌ها از ساعت‌های اتمی نوری نیز پشتیبانی کند، کرد.
کوینلان گفت: “ساعت‌های اتمی نوری اکنون آنقدر دقیق هستند که برای نمایش فرکانس آنها به ۱۸ رقم نیاز است. با این حال، حفظ این دقت در حین انتقال فرکانس‌ها چالش برانگیز است زیرا فیبرهای نوری به تغییرات محیطی مانند دما و کرنش بسیار حساس هستند که نویز زیادی به سیگنال اضافه می‌کند.”
انتقال نور فوق پایدار در فواصل طولانی نیاز به حرکت دو طرفه برای حس کردن و اصلاح بی‌ثباتی فرکانسی اضافه شده توسط فیبر دارد. با این حال، در شبکه‌های فیبر نوری با مسافت طولانی، داده‌ها معمولاً به یک صورت در هر فیبر جریان می‌یابند – یکی برای ترافیک خروجی و دیگری برای ترافیک ورودی – زیرا استفاده دو طرفه از یک فیبر واحد، نویز و بازتاب‌هایی را ایجاد می‌کند که باعث ایجاد خطا می‌شوند.
نمایش‌های قبلی از پیوندهای فیبری پایدار در فواصل طولانی یا به فیبر تاریک متکی بوده‌اند، که در آن هیچ سیگنال مخابراتی وجود ندارد، یا از تجهیزات تخصصی برای انتقال دو طرفه سیگنال فرکانس فوق پایدار استفاده کرده‌اند. محققان روش جدیدی را توسعه داده‌اند که از نیاز به فیبر تاریک یا تجهیزات تخصصی جلوگیری می‌کند.
روش جدید از این واقعیت بهره می‌برد که در یک فیبر چند هسته‌ای، هر هسته اثرات محیطی مشابهی را تجربه می‌کند. این بدان معناست که نور خروجی می‌تواند از طریق یک هسته ارسال شود و نور را از طریق هسته دیگر بازگرداند و از خطاهای دو طرفه جلوگیری کند و در عین حال امکان استفاده از تکنیک‌های اصلاح نویز را فراهم کند. همین رویکرد را می‌توان برای ترافیک داده در فیبر اعمال کرد و از انتقال فرکانس فوق پایدار بدون به خطر انداختن یکپارچگی داده‌ها پشتیبانی کرد.
یک فیبر، مسیرهای بسیار
پژوهشگران از یک بستر آزمایشی فیبر چند هسته‌ای در لاکوئیلای ایتالیا، برای آزمایش توانایی روش خود در حذف نویز فیبر چند هسته‌ای مستقر شده و مقایسه عملکرد آن با فیبر استاندارد و همچنین الزامات انتقال پایداری ساعت‌های اتمی نوری پیشرفته استفاده کردند. به گزارش دیده‌بان علم، محققان خاطرنشان می‌کنند که این کار بدون سرمایه‌گذاری قابل توجه صنعت مخابرات در فناوری فیبر نوری چند هسته‌ای، از جمله طراحی و ساخت فیبر چند هسته‌ای، کابل‌کشی برای استقرار و فناوری اتصال نور ورودی و خروجی، امکان‌پذیر نبود. علاوه بر این، بستر آزمایشی فیبر چند هسته‌ای که در دانشگاه لاکوئیلا تأسیس شد، کلید نشان دادن عملکرد روی فیبر مستقر شده بود.
آزمایش‌ها نشان داد که نویز فرکانسی اضافه شده توسط تقریباً ۲۵ کیلومتر فیبر چند هسته‌ای با محدودیت‌های نظری مشاهده شده در فیبر تک هسته‌ای استاندارد سازگار است، که نشان می‌دهد استفاده از فیبر چند هسته‌ای عملکرد را کاهش نمی‌دهد. همچنین، بی‌ثباتی ناشی از فیبر در درازمدت به اندازه کافی کم بود تا از ساعت‌های نوری پیشرفته پشتیبانی کند.
آنها همچنین دریافتند که ناپایداری ناشی از فیبر توسط مسیرهای کوتاه فیبر مورد استفاده در آزمایشگاه محدود می‌شود و نه توسط خواص خود فیبر چند هسته‌ای. این نشان می‌دهد که با یک چیدمان آزمایشگاهی بهتر، عملکرد می‌تواند بیشتر بهبود یابد و رشته‌های طولانی‌تر فیبر چند هسته‌ای باید برای انتقال سیگنال‌ها از ساعت‌های نوری به همان خوبی عمل کنند.
حقوقی گفت: «تأکید بر این نکته مهم است که این کار تنها گام اول است. برای نشان دادن سازگاری واقعی با شبکه‌های فیبر با مسافت طولانی، باید سازگاری با تقویت نوری را نشان دهیم که برای پیوندهای مخابراتی فیبری با طول حدود ۸۰ کیلومتر مورد نیاز است. ما در حال حاضر روی این موضوع کار می‌کنیم.»
گفتنی است، نازنین حقوقی که هم‌اکنون به‌عنوان فیزیک‌دان در مؤسسه ملی استانداردها و فناوری ایالات متحده (NIST) فعالیت دارد، دانش آموخته کارشناسی مهندسی کامپیوتر دانشگاه علم و صنعت ایران (۲۰۰۵) و کارشناسی ارشد مهندسی اپتیک از موسسه فناوری روز-هولمن در ایندیانای آمریکا (۲۰۰۷) است. وی، تحصیلات دکتری را نیز در سال ۲۰۱۲ در مرکز تحقیقات اپتیک و لیزر (CREOL) دانشگاه فلوریدای مرکزی به پایان برده است. تحقیقات رساله وی با عنوان «Injection-locked Semiconductor Lasers For Realization Of Novel RF Photonics Components» به ارائه روش‌های جدید در مدولاسیون و آشکارسازی فاز با استفاده از لیزرهای نیمه‌رسانا قفل‌شده تزریقی منجر شد.
این پژوهشگر برجسته حوزه اپتیک، لیزرهای کوانتومی و انتقال دقیق سیگنال‌های نوری با پیشینه آکادمیک قوی و بیش از ده‌ها مقاله، اختراع و پروژه بین‌المللی در حال حاضر، نقشی کلیدی در پروژه‌های پیشرفته NIST مانند انتقال سیگنال ساعت‌های اپتیکی ایفا می‌کند.
انتهای پیام
* نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند