Study on the limiting factors of a coherent optical fiber link, applied to phase transfer for femtosecond synchronization

El Gran Conjunto Milimétrico / submilimétrico de Atacama (ALMA) es el observatorio astronómico más grande jamás construido. Se encuentra ubicado en el Llano de Chajnantor, a una altitud de 5.000 metros sobre el nivel del mar en el norte de Chile. Se compone de un conjunto de 66 antenas distribuidas en un área de 15 km de diámetro y que opera entre 35 y 950 GHz, Estas antenas están interconectados en un interferómetro capaz de detectar fuentes de señales débiles procedentes del espacio más profundo y producir imágenes con una resolución angular mejor que el telescopio espacial Hubble. Para lograr este rendimiento de las antenas se tiene que registrar las señales procedentes del cielo con un error de tiempo más pequeño que 38 fs. Esta sincronización se realiza mediante señales ópticas transmitidas desde un edificio central utilizando una red de fibra óptica del tipo usado en telecomunicaciones. El sistema de transmisión se ve afectado por perturbaciones externas tales como la vibración, y oscilaciones térmicas. Estas perturbaciones además de cambiar directamente la longitud de la fibra, afectan el estado de polarización de la luz que viaja a través de ella. Este cambio de longitud puede ser neutralizado aplicando un esquema de corrección de longitud de línea que utiliza estiradores de fibra. Sin embargo, el cambio de polarización no es fácil de compensar, y su interacción con la dispersión de modo de polarización (PMD) , produce una variación de fase adicional. Con el fin de minimizar este efecto, ALMA especificó valores de PMD muy bajos para todos los equipos que se ubican en el camino óptico de la señal que transmite la referencia de fase. Puesto que el sistema de corrección de longitud de línea utiliza estiradores mecánicos, se debe poner especial atención en alinear el estado de polarización de la señal que entra al estirador de fibra con su punto óptimo. Solamente encontrando este punto se puede minimizar el cambio de polarización que se produce al estirar la fibra ubicada en el interior del estirador mecánico. Este trabajo presenta un algoritmo innovador y eficiente para encontrar el eje óptimo de los estiradores de fibra utilizados en ALMA. Este algoritmo se desarrolló durante la realización de este trabajo, y permite una identificación rápida y precisa del eje óptimo que minimiza el cambio de polarización, comparado con el método original, este algoritmo reduce en un 70% el tiempo promedio de calibración y reduce en un 50% el error de calibración residual. También se hace una revisión de los sistemas de transferencia de referencia de tiempo utilizados en ALMA. Explicando los desafíos que enfrentan y las soluciones tecnológicas implementadas para supéralos. A continuación, se presenta el efecto del PMD, mostrando diferentes técnicas de medición y su compensación. Además este trabajo presenta un conjunto de mediciones de PMD realizadas sobre fotomezcladores, estiradores de fibra, e instalaciones de fibra en el Arreglo Muy Grande (o Very Large Array, administrado por NRAO) y en ALMA.  The Atacama Large Millimeter/Submillimeter Array (ALMA) is the largest astronomical observatory ever built. It is located on the Chajnantor plateau, at an altitude of 5000 meters above the sea level in northern Chile. It consists of an array of 66 antennas spread in a 15 km diameter area and operating between 35 and 950 GHz. These antennas are interconnected in an interferometer capable to detect weakest signal sources coming from the deepest space and produce images with an angular resolution better than the Hubble space telescope. To achieve this performance the antennas need to record the signals coming from the sky with a time error smaller than 38 fs; this synchronization is made using optical signals transmitted from a central building via a telecommunication grade fiber optic network. This transmission system is affected by some external perturbations like vibrations and thermal cycles. These perturbations, besides directly changing the length of the fiber, affect the polarization state of the light traveling across it. The length change can be neutralized implementing a line length correction scheme that uses fiber stretchers, but the polarization change is not easy to compensate, and its interaction with the polarization mode dispersion (PMD) produces extra phase drift. In order to minimize this effect, ALMA specified very low PMD for all the equipment in the optical path of the signal carrying the phase references. Given that the line length correction scheme uses fiber stretchers that mechanically change the length of a long section of the fiber, special attention needs to be put in aligning the input polarization state with the axis of this device that minimizes the polarization change produced when the stretcher moves. This work presents an innovative optimization algorithm for the fiber stretchers used in ALMA, which was developed during the realization of this work. It allows a fast and accurate identification of this axis of minimal polarization change, compared with the original method; this algorithm produced a 70% reduction of the average calibration time and a 50% reduction of the average residual calibration. A review of the time reference transfer system used in ALMA is also made, explaining the challenges that it faces and the way they are overcome. Then the effect of PMD is presented, showing different PMD compensation and measurement techniques. In addition, this work presents PMD measurements made on ALMA photomixers and fiber stretchers, and of buried fiber installations of the Very Large Array (VLA) and ALMA.