실제 적응형 광학 위상 추정

Jan 20, 2024

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 21745(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

광학 위상 추적은 광학 주파수 계측, 지상 또는 우주 기반 중력파 관측, 응집성 광학 통신을 포함한 고정밀 측정 응용 분야에 사용되는 중요한 기술입니다. 빠르게 변화하는 실시간 신호를 측정할 때 측정 시스템의 위상 고정 루프의 응답 시간 제한으로 인해 최상의 작동 지점이 일치하지 않게 되어 측정이 비선형이 됩니다. 이러한 측정을 가능하게 하기 위해 이 연구에서는 이론적으로 최적의 호모다인 감지를 가능하게 하는 시간 지연 루프를 제안합니다. 시간 지연 루프가 확장 칼만 필터와 결합되면 107rad/s의 속도로 빠르게 변하는 무작위 신호를 추적할 때 추정 측정 정확도가 2.4dB 향상됩니다. 간섭각이 최적의 측정 지점에서 더 많이 벗어날수록 이러한 위상 추정 개선 효과도 증가합니다. 제안된 방법은 실시간 감지 및 측정 응용 분야에 사용할 수 있는 가능성을 보여줍니다.

광학 위상 추적은 중력파 감지 및 생물학적 측정을 포함하여 동적 표적 또는 신호 측정에 사용되기 때문에 고유한 응용 분야 위치를 차지합니다. 그러나 고전적인 광학 측정에서는 각 측정마다 양자역학9,10,11,12,13,14,15,16에 의해 결정되는 양자 잡음 한계인 정밀도 상한이 있습니다. 일정한 위상 측정의 경우 광학 측정 정확도 한계는 광자 수 N에 따라 \(1/\sqrt N\)10으로 결정됩니다. 현재 광학 측정 정확도 한계를 초과하기 위해 사용되는 주요 방법은 비고전적인 광원11,17,18,19,20을 사용하는 것입니다. 예를 들어, 1981년 Caves는 Mach-Zehnder 간섭계가 하위 샷 노이즈 감도 수준을 달성하기 위해 압착된 진공 광을 사용해야 한다고 처음 제안했습니다. 동적 목표의 경우 Wiseman et al. 측정 정보를 사용하여 국부 발진기 위상의 피드백 제어를 가능하게 하는 피드백 제어 측정 방식을 제안했습니다. 국부 발진기 광과 측정할 신호 사이의 상대 위상은 \(\pi /2\)에 고정되었으며, 이 적응형 방법의 측정 정확도는 \(\sqrt 2\)배인 것으로 확인되었습니다. 비적응 방법21. Wiseman이 제안한 적응형 피드백 측정 구조를 기반으로 일관성 있는 빛과 압착된 빛의 위상 매개변수를 결정하기 위해 수많은 고전적 추정 이론이 사용되었습니다. 이러한 노력 중 Tsang et al. Kalman-Bucy 필터와 Wiener 필터를 사용하여 간섭성 광의 실시간 위상 및 순간 주파수 측정을 각각 실현하는 제로 비트 위상 고정 루프를 설계했습니다. 2010년에 Wheatley et al. 압착된 빛의 위상을 추적하기 위한 데이터 평활화 방식을 제안했습니다. 실험에 따르면 획득된 위상 정확도는 간섭광23에 의해 도달할 수 있는 한계보다 2배 더 높았습니다.

광학 측정에서 이러한 연구의 상당 부분이 실제 응용 분야에 사용되었습니다. Xiaoet al. 1987년에 Mach-Zehnder 간섭을 사용하여 사격 소음 한계 정확도를 성공적으로 초과했습니다24. 2002년 Armen et al. 광학 위상 고정 루프를 사용하여 광학 위상을 지속적으로 추적했습니다. 2012년에는 압착된 빛을 사용하여 광학 위상 추적도 실현되었으며, 이 접근법은 거울의 움직임을 추적하는 데 사용되었습니다. 2019년에는 이 시스템의 편의성을 더욱 향상시키기 위해 Zhang et al. 광섬유28,29에서 신호의 연속 추적을 실현했습니다. 실시간 신호의 광학 위상 추적은 항상 광학 측정의 중요한 개발 방향이었으며 실제로 중요한 기술임이 입증되었습니다.

이전 연구에서는 신호의 광학 위상이 항상 위상 고정 루프 잠금 아래 최적의 측정 지점에 기록되었습니다. 본 논문에서는 신호 속도가 너무 빠르고 위상 고정 루프가 최적의 측정 지점에 고정되지 않을 때 발생하는 문제를 해결할 수 있는 시간 지연을 갖는 시스템 구조를 제안합니다. 제안된 구조는 전체 추정 과정에서 신호 위상과 국부 발진기 위상 간의 위상차 측정을 위한 최적 지점을 추적할 수 있게 해준다. 본 연구에서는 빠른 시변 신호 위상 처리에 사용하기 위해 제안된 새로운 시간 지연 시스템 구조의 장점에 대한 이론적 설명을 제공합니다. 첫 번째 측정이 최적이 아니기 때문에 제안 시스템은 일부 광자 자원을 희생하여 최적의 측정 신호를 구현합니다. 또한 시스템 안정성과 최종 결과의 정확성을 모두 향상시키는 새로운 구조에 대한 확장된 칼만 필터 모델을 구축합니다. 이론적 및 시뮬레이션 기반 분석을 통해 이 새로운 시스템 구조가 실제 응용 분야에서 빠른 물체의 측정 및 추적을 수행할 수 있음을 보여줍니다.