Les chercheurs ont montré, pour la première fois, que la transmission de signaux optiques ultrastables à partir d'horloges optiques sur des dizaines de kilomètres de fibres multicore déployées est compatible avec la transmission simultanée des données de télécommunications.
La réalisation démontre que ces réseaux de fibres optiques de haute capacité émergents pourraient être utilisés pour connecter des horloges optiques à divers endroits, permettant de nouvelles applications scientifiques.
Alors que les demandes de données mondiales continuent de monter, des fibres multicore sont installées pour aider à surmonter les limites des réseaux existants. Ces fibres emballent plusieurs noyaux de guidage de lumière en un seul brin, augmentant considérablement une capacité d'applications telles que le streaming, la finance et l'intelligence artificielle.
« Nous voulions voir si les fibres multicore, qui commencent à être déployées commercialement, pourraient soutenir la transmission des signaux d'horloge optique sur de longues distances d'une manière qui serait compatible avec les réseaux de télécommunications », a déclaré le co-leader de l'équipe de recherche Frank Quinlan, de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST).
« La redéfinition imminente de la seconde sur la base des horloges optiques et des protocoles de mise en réseau quantique importants reposent tous deux sur ce type de transmission de signal ultrastable. »
Dans Opticaun groupe multi-institutionnel de chercheurs démontre le transfert fiable de signaux optiques ultrastables via des fibres multicore déployées ainsi que le trafic de télécommunications simulé. Ils signalent une instabilité de fréquence fractionnaire de seulement 3 × 10-19 sur une période de près de trois heures – un niveau de stabilité qui convient aux mesures de chronométrage et de scientifiques les plus exigeantes.
« La possibilité de transporter des signaux à partir d'horloges atomiques optiques de pointe à travers les océans pourrait permettre de lier et de comparer les horloges les plus précises du monde entre les continents », a déclaré le co-leader de l'équipe de recherche de Nazanin Hoghooghi de NIST.
« Initialement, cela pourrait aider à soutenir les mesures de haute précision pour les investigations de la physique fondamentale et les travaux nécessaires pour redéfinir la seconde. En fin de compte, cela pourrait permettre un réseau international, potentiellement même intercontinental, des horloges connectées qui pourraient repousser les limites de précision. »
Collaboration sur les continents
La nouvelle recherche est née d'une collaboration internationale entre le NIST, Nokia Bell Labs, Sumitomo Electric Industries Ltd. au Japon, l'Université du Colorado – Boulder et l'Université de L'Aquila en Italie.
Alors que la collaboration unique se concentrait à l'origine sur l'utilisation des lasers à faible bruit pour la détection des fibres, à mesure que les conversations ont évolué, l'équipe a commencé à réfléchir à la conception d'origine des fibres multicœurs – conçues pour la transmission de données à grande capacité – peut également prendre en charge la transmission précise des signaux des horloges atomiques optiques.
« Les horloges atomiques optiques sont désormais si précises que 18 chiffres sont nécessaires pour représenter leur fréquence », a déclaré Quinlan. « Cependant, le maintien de cette précision lors de la transmission des fréquences est difficile car les fibres optiques sont extrêmement sensibles aux changements environnementaux comme la température et la déformation, ce qui ajoute beaucoup de bruit au signal. »
La transmission de la lumière ultrastable sur de longues distances nécessite un voyage bidirectionnel au sens et à corriger l'instabilité de la fréquence ajoutée par la fibre. Cependant, dans les réseaux de fibres long-courriers, les données circulent généralement dans une manière par fibre – une pour le sort et une autre pour le trafic entrant, car l'utilisation bidirectionnelle d'une seule fibre introduit le bruit et les réflexions qui provoquent des erreurs.
Les démonstrations antérieures de liaisons de fibres stabilisées sur de longues distances se sont appuyées sur des fibres sombres, où aucun signal de télécommunications n'est présent, soit utilisé un équipement spécialisé pour permettre la transmission bidirectionnelle du signal de fréquence ultrastable. Les chercheurs ont développé une nouvelle méthode qui évite le besoin de fibres noires ou d'équipement spécialisé.
La nouvelle méthode tire parti du fait que dans une fibre multiccore, chaque cœur subit des effets environnementaux similaires. Cela signifie que la lumière sortante peut être envoyée par un noyau et retourner la lumière à travers une autre, en évitant les erreurs bidirectionnelles tout en permettant l'utilisation de techniques de correction du bruit. La même approche peut être appliquée au trafic de données dans la fibre, prenant en charge le transfert de fréquence ultrastable sans sacrifier l'intégrité des données.
Une fibre, de nombreux chemins
Les enquêteurs ont utilisé un banc d'essai de fibre multiconcare à L'Aquila, en Italie, pour tester la capacité de leur méthode à annuler le bruit des fibres multicore déployées et à comparer ses performances aux fibres standard ainsi qu'aux exigences de transfert de la stabilité des horloges atomiques optiques de pointe.
Les chercheurs soulignent que ce travail n'aurait pas été possible sans l'investissement important de l'industrie des télécommunications dans la technologie des fibres optiques multicore, y compris la conception et la construction de fibres multicore, le câblage pour le déploiement et la technologie pour le couplage de la lumière et de sortie. De plus, le lit d'essai de fibre multiccore créé à l'Université de L'Aquila était essentiel pour démontrer les performances sur les fibres déployées.
Les expériences ont montré que le bruit de fréquence ajouté d'environ 25 km de fibres multicore était cohérent avec les limites théoriques observées dans la fibre monocœur standard, indiquant que l'utilisation de fibres multicore ne dégrade pas les performances. De plus, l'instabilité induite par les fibres à long terme était suffisamment faible pour prendre en charge les horloges optiques de pointe.
Ils ont également constaté que l'instabilité induite par la fibre était limitée par les chemins de fibres courtes utilisés en laboratoire et non par les propriétés de la fibre multiccore elle-même. Cela suggère qu'avec une meilleure configuration de laboratoire, les performances pourraient être encore améliorées et que des étirements plus longs de fibres multicore devraient également fonctionner pour transmettre des signaux à partir d'horloges optiques.
« Il est important de souligner que ce travail n'est que la première étape », a déclaré Hoghooghi.
« Pour vraiment montrer la compatibilité avec les réseaux de fibres long-courriers, nous devons montrer la compatibilité avec l'amplification optique, qui est requise pour les liens de télécommunications en fibre sur environ 80 km de long. Nous travaillons actuellement là-dessus. »
