Διανομή συχνοτήτων αναφοράς μέσω εγκατεστημένων δικτύων οπτικών ινών
Authors: Νίκας Θωμάς 
Published: September 2021

Η ακρίβεια και ευστάθεια των συχνοτήτων αναφοράς βελτιώνεται με ταχείς ρυθμούς αποσκοπώντας τόσο στην υποβοήθηση θεμελιωδών πειραμάτων φυσικής, όσο και στη βελτίωση των επιδόσεων σύγχρονων τεχνολογικών εφαρμογών όπως είναι το παγκόσμιο σύστημα εντοπισμού θέσης, ο ακριβής συγχρονισμός τηλεπικοινωνιακών δικτύων και ραδιοτηλεσκοπίων, η συμβολομετρία μεγάλων αποστάσεων και η κβαντική δικτύωση. Ιδιαίτερο επιστημονικό και τεχνολογικό ενδιαφέρον παρουσιάζει η δυνατότητα σύγκρισης των προτύπων συχνότητας που παράγονται από απομακρυσμένες πηγές. Επίσης, ο συγχρονισμός κεραιών ραδιοτηλεσκοπίων και τηλεπικοινωνιακών δικτύων απαιτεί τη μετάδοση συχνοτήτων αναφοράς σε μεγάλες αποστάσεις με εξαιρετική ακρίβεια. Η ακριβέστερη μέθοδος μεταφοράς τέτοιων προτύπων είναι η μετάδοση μέσα από δίκτυο οπτικών ινών. Οι οπτικές ίνες είναι ανθεκτικές σε ηλεκτρομαγνητικές παρεμβολές, και επιπλέον τα χαρακτηριστικά τους δεν μεταβάλλονται ιδιαίτερα λόγω μεταβολών στο περιβάλλον τους, καθώς εγκαθίστανται σε αρκετό βάθος. Εμφανίζουν όμως ευαισθησία του δείκτη διάθλασης και επομένως της ταχύτητας διάδοσης στη θερμοκρασία και τις μηχανικές δονήσεις, η οποία προκαλεί μεταβολές στη φάση των μεταδιδόμενων προτύπων, υποβαθμίζοντας έτσι την ευστάθειά τους. Για τη βελτίωση της ευστάθειας υλοποιείται βρόχος ελέγχου της φάσης, επιστρέφοντας πίσω στον πομπό ένα μέρος του σήματος που φτάνει στο δέκτη.Σε ζεύξεις μεγάλου μήκους είναι αναγκαία η ύπαρξη ενισχυτών - αναγεννητών, οι οποίοι προλαμβάνουν την υποβάθμιση του σήματος λόγω απωλειών και υπέρθεσης θορύβου. Επίσης, τα εγκατεστημένα δίκτυα οπτικών ινών περιλαμβάνουν έναν αριθμό συνδέσεων και συγκολλήσεων που προκαλούν ανακλάσεις, οι οποίες υποβαθμίζουν την ποιότητα του σήματος επιστροφής και επιβαρύνουν με θόρυβο το σήμα φασικού σφάλματος που χρησιμοποιείται για τον έλεγχο της φάσης. Στα πλαίσια της διατριβής προτάθηκε ένας αμιγώς οπτικός αναγεννητής, ο οποίος εκτός από συντονιζόμενη στο μήκος κύματος μετάδοσης ενίσχυση, πραγματοποιεί αντιγραφή και μεταλλαγή σε άλλο μήκος κύματος του σήματος επιστροφής, ούτως ώστε να είναι δυνατός ο διαχωρισμός του από τις πιθανές ανακλάσεις. Ο αναγεννητής αυτός βασίζεται στις ιδιότητες διπλής εγκλείδωσης με οπτική έγχυση ενός πολύτροπου laser. Προσομοιώθηκε και υλοποιήθηκε πειραματικά, επιτυγχάνοντας διατήρηση της ευστάθειας του μεταδιδόμενου μικροκυματικού προτύπου σε δύο διαδοχικές ζεύξεις οπτικών ινών.Στη συνέχεια προτάθηκε μια απλή μέθοδος διπλασιασμού της συχνότητας του προτύπου. Οι επιπτώσεις του φασικού θορύβου υποβαθμίζονται, όταν χρησιμοποιείται υψηλότερη συχνότητα προτύπου. Αυτό όμως απαιτεί πιο ακριβούς ηλεκτροπτικούς διαμορφωτές και φωτοδιόδους. Στην προτεινόμενη μέθοδο χρησιμοποιήθηκε ηλεκτροπτική διαμόρφωση πλάτους διπλής πλευρικής με κατασταλμένο φέρον. Έτσι, η συχνότητα που αναδεικνύεται στο δέκτη είναι διπλάσια της αρχικής, χωρίς να είναι αναγκαία η χρήση διαμορφωτή διπλάσιου εύρους ζώνης. Επίσης, καταργούνται οι χωρικές διαλείψεις που οφείλονται στη χρωματική διασπορά. Η βελτίωση της σχετικής συχνοτικής ευστάθειας του συστήματος επιβεβαιώθηκε πειραματικά.Ως λογικό επακόλουθο της προηγούμενης μεθόδου, εξετάστηκε αν θα ήταν εφικτή η μετάδοση χιλιοστομετρικών ή και στην περιοχή των THz συχνοτήτων αναφοράς. Το αποτέλεσμα αυτής της προσπάθειας ήταν ένας οπτικο-ηλεκτρονικός διαιρέτης συχνοτήτων που δεν απαιτεί μεγάλου εύρους ζώνης εξαρτήματα, δεν εισάγει επιπλέον φασικό θόρυβο και είναι ικανός να υποβιβάσει τις υψηλές αυτές συχνότητες, διαιρώντας τες με κλασματικό λόγο. Με τον τρόπο αυτό παρέχεται ευελιξία στην επιλογή της τελικής συχνότητας του λαμβανόμενου προτύπου, η οποία διατηρεί την ευστάθεια της υψηλής συχνότητας αναφοράς που μεταδόθηκε. Η ευστάθεια και ο χαμηλός φασικός θόρυβος της τοπικά στο δέκτη παραγόμενης συχνότητας πιστοποιήθηκε με πειραματικές μετρήσεις. Ο οπτικο-ηλεκτρονικός κλασματικός διαιρέτης παρέχει επίσης τη δυνατότητα σύνθεσης μικροκυματικών και χιλιοστομετρικών συχνοτήτων. Οι συχνότητες των παραγόμενων ηλεκτρικών συχνοτήτων ρυθμίζονται με εξαιρετικά μικρό βήμα σύνθεσης από τον κλασματικό λόγο διαίρεσης. Σε αντίθεση με άλλες τεχνικές οπτικο-ηλεκτρονικής σύνθεσης συχνοτήτων, όλες οι ενδιάμεσες συχνότητες που απαιτούνται για τη λειτουργία του συνθέτη είναι κλειδωμένες στην συχνοτική απόσταση των τόνων αναφοράς.Μια άλλη κατηγορία μεθόδων επικεντρώνονται στη διόρθωση του φασικού σφάλματος της μετάδοσης αποκλειστικά στο δέκτη. Τέτοια συστήματα μονόδρομης μετάδοσης, βασίζονται στην εξάρτηση της διασποράς των οπτικών ινών από τη θερμοκρασία. Η φασική σύγκριση δύο αντιτύπων του προτύπου σε απομακρυσμένα μήκη κύματος αναδεικνύει το σήμα σφάλματος, το οποίο χρησιμοποιείται για να σταθεροποιήσει το βρόχο. Το πρόβλημα με την τεχνική αυτή είναι η χαμηλή ευαισθησία της, η οποία βελτιώνεται δραματικά με την χρήση οπτικών συχνοτικών προτύπων. Για να εξαχθεί το φασικό σφάλμα, θα πρέπει να γεφυρωθεί το συχνοτικό χάσμα μεταξύ των οπτικών φερόντων και για το σκοπό αυτό στα πλαίσια της διατριβής προτάθηκαν δύο λύσεις. Η πρώτη μεταδίδει μια οπτική κτένα αποτελούμενη από τρεις απομακρυσμένους τόνους. Στο δέκτη, οι τόνοι εισέρχονται σε οπτικό ενισχυτή ευαίσθητο στη φάση, όπου η φασική σχέση μεταξύ των τόνων επιδρά στο κέρδος του παραμετρικού αυτού ενισχυτή ο οποίος μεταφράζει τη σχετική φασική μεταβολή που επιβάλλεται κατά τη μετάδοση λόγω μεταβολής της θερμοκρασίας της ίνας σε μεταβολή της ισχύος των δύο ακραίων τόνων, αναδεικνύοντας έτσι το φασικό σφάλμα. Η δεύτερη μέθοδος εκπέμπει τους ίδιους τρεις συχνοτικά ισαπέχοντες τόνους και γεφυρώνει το χάσμα στο δέκτη διαμορφώνοντας τον μεσαίο τόνο με διαμόρφωση φάσης υψηλού βάθους. Η διαμορφούσα συχνότητα παράγεται τοπικά στο δέκτη και δεν χρειάζεται να είναι υψηλής ευστάθειας καθώς ο φασικός της θόρυβος εμφανίζεται ως θόρυβος κοινού τρόπου στη φασική σύγκριση. Η ευαισθησία του προτεινόμενου συστήματος είναι ταυτόσημη με αυτή του ευαίσθητου στη φάση οπτικού ενισχυτή, χρησιμοποιώντας όμως κατά πολύ χαμηλότερη οπτική ισχύ. Η ιδιότητα αυτή είναι ιδιαίτερα επιθυμητή σε εφαρμογές συγχρονισμού κβαντικών οπτικών δικτύων.