Адаптивная оптическая оценка фазы на практике

Jan 20, 2024

Научные отчеты, том 12, Номер статьи: 21745 (2022) Цитировать эту статью

426 Доступов

1 Альтметрика

Подробности о метриках

Оптическое отслеживание фазы является важным методом для использования в высокоточных измерительных приложениях, включая метрологию оптических частот и наблюдение гравитационных волн наземного или космического базирования, а также когерентную оптическую связь. При измерении быстро меняющихся сигналов в реальном времени ограничения времени отклика системы фазовой автоподстройки частоты измерительной системы приводят к несовпадению наилучшей рабочей точки, и тогда измерение становится нелинейным. Чтобы сделать эти измерения возможными, в данной работе предлагается контур временной задержки, который теоретически обеспечивает оптимальное гомодинное обнаружение. Когда контур временной задержки объединен с расширенным фильтром Калмана, расчетная точность измерений повышается на 2,4 дБ при отслеживании быстро меняющегося случайного сигнала со скоростью 107 рад/с. Это улучшение оценки фазы также увеличивается по мере дальнейшего отклонения угла интерференции от оптимальной точки измерения. Предложенный метод показывает потенциал для использования в приложениях для измерения и измерения в реальном времени.

Оптическое отслеживание фазы занимает уникальную прикладную позицию из-за его использования при измерении динамических целей или сигналов1,2,3,4,5,6, включая обнаружение гравитационных волн и биологические измерения7,8. Однако в классических оптических измерениях каждое измерение имеет верхний предел точности, который представляет собой предел квантового шума, определяемый квантовой механикой9,10,11,12,13,14,15,16. Для измерений с постоянной фазой предел точности оптических измерений определяется на основе количества фотонов N, равного \(1/\sqrt N\)10. Основной метод, используемый в настоящее время для превышения предела точности оптических измерений, предполагает использование неклассических источников света11,17,18,19,20. Например, в 1981 году Кейвс впервые предложил, чтобы интерферометр Маха-Цендера использовал свет сжатого вакуума для достижения уровней чувствительности к субдробовому шуму10. Для динамических целей Wiseman et al. предложил схему измерения управления с обратной связью, в которой информация об измерениях использовалась для обеспечения управления фазой гетеродина с обратной связью; относительная фаза между светом гетеродина и измеряемым сигналом затем фиксировалась на уровне \(\pi /2\), и было подтверждено, что точность измерения этого адаптивного метода в \(\sqrt 2\) раз выше, чем у неадаптивный метод21. На основе предложенной Уайзманом структуры измерения с адаптивной обратной связью большое количество классических теорий оценки было использовано для определения фазовых параметров как когерентного, так и сжатого света. Среди этих усилий Цанг и др. разработал систему фазовой автоподстройки частоты с нулевым биением, которая использовала фильтр Калмана-Бьюси и фильтр Винера для измерения фазы в реальном времени и мгновенной частоты когерентного света соответственно22. В 2010 году Уитли и др. предложил схему сглаживания данных для отслеживания фазы сжатого света. Эксперименты показали, что полученная фазовая точность в два раза превышает предел, достижимый для когерентного света23.

В оптических измерениях большая часть этих исследований нашла практическое применение. Сяо и др. успешно превысили предел точности дробового шума с использованием интерференции Маха-Цендера в 1987 г.24. В 2002 г. Армен и др. использовали оптическую систему фазовой автоподстройки частоты для непрерывного отслеживания оптической фазы25. В 2012 году оптическое отслеживание фазы было также реализовано с использованием сжатого света, и этот подход затем использовался для отслеживания движений зеркал26,27. В 2019 году, чтобы еще больше повысить удобство этой системы, Чжан и др. реализовали непрерывное отслеживание сигналов в оптических волокнах28,29. Оптическое отслеживание фазы сигналов реального времени всегда было важным направлением развития оптических измерений и оказалось важным методом на практике.

В предыдущих работах оптическая фаза сигнала всегда записывалась в оптимальной точке измерения при захвате системы фазовой автоподстройки частоты26,30,31,32. В данной статье предлагается структура системы с задержкой по времени, которая может решить проблему, возникающую, когда скорость сигнала слишком высока и система фазовой автоподстройки частоты не синхронизирована в оптимальной точке измерения. Предложенная структура позволяет отслеживать оптимальную точку измерения разности фаз между фазой сигнала и фазой гетеродина на протяжении всего процесса оценки. В этой работе мы даем теоретическое объяснение преимуществ предлагаемой новой структуры системы задержки для использования в быстрой фазовой обработке изменяющегося во времени сигнала. Поскольку первое измерение не является оптимальным, предлагаемая система реализует оптимальный измерительный сигнал за счет некоторых фотонных ресурсов. Кроме того, мы создаем расширенную модель фильтра Калмана для новой структуры, которая улучшает как стабильность системы, так и точность конечных результатов33,34,35,36. Теоретический анализ и анализ, основанный на моделировании, показывают, что эта новая структура системы может выполнять измерения и отслеживание быстрых объектов в практических приложениях.