Stima della fase ottica adattiva reale

Jan 20, 2024

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 21745 (2022) Citare questo articolo

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Il tracciamento ottico della fase è una tecnica importante da utilizzare in applicazioni di misurazione ad alta precisione, tra cui la metrologia della frequenza ottica e l'osservazione delle onde gravitazionali a terra o nello spazio e le comunicazioni ottiche coerenti. Quando si misurano segnali in tempo reale che variano rapidamente, i limiti del tempo di risposta dell'anello ad aggancio di fase del sistema di misura fanno sì che il miglior punto operativo non corrisponda e la misura diventa quindi non lineare. Per rendere possibili queste misurazioni, questo lavoro propone un ciclo di ritardo temporale che teoricamente consente il rilevamento omodino ottimale. Quando il circuito di ritardo temporale è combinato con un filtro di Kalman esteso, la precisione di misurazione stimata viene migliorata di 2,4 dB quando si traccia un segnale casuale a variazione rapida con una velocità di 107 rad/s. Questo miglioramento della stima di fase aumenta anche quando l'angolo di interferenza si discosta ulteriormente dal punto di misurazione ottimale. Il metodo proposto mostra il potenziale per l'uso in applicazioni di rilevamento e misurazione in tempo reale.

Il tracciamento ottico della fase occupa una posizione applicativa unica grazie al suo utilizzo nella misurazione di target o segnali dinamici1,2,3,4,5,6, compreso il rilevamento delle onde gravitazionali e le misurazioni biologiche7,8. Tuttavia, nella misurazione ottica classica, ciascuna misurazione ha un limite superiore di precisione, che è il limite del rumore quantistico determinato dalla meccanica quantistica9,10,11,12,13,14,15,16. Per le misurazioni a fase costante, il limite di precisione della misurazione ottica è determinato in base al numero di fotoni N che deve essere \(1/\sqrt N\)10. Il metodo principale attualmente utilizzato per superare il limite di precisione della misurazione ottica prevede l'uso di sorgenti luminose non classiche11,17,18,19,20. Ad esempio, nel 1981, Caves propose per la prima volta che l'interferometro di Mach-Zehnder dovesse utilizzare la luce del vuoto compressa per raggiungere livelli di sensibilità al rumore sub-shot10. Per obiettivi dinamici, Wiseman et al. proposto uno schema di misurazione del controllo del feedback, in cui le informazioni di misurazione venivano utilizzate per consentire il controllo del feedback della fase dell'oscillatore locale; la fase relativa tra la luce dell'oscillatore locale e il segnale da misurare è stata quindi bloccata a \(\pi /2\), ed è stato verificato che la precisione di misura di questo metodo adattivo è \(\sqrt 2\) volte quella di il metodo non adattivo21. Sulla base della struttura di misurazione del feedback adattivo proposta da Wiseman, sono state utilizzate un gran numero di teorie di stima classiche per determinare i parametri di fase sia della luce coerente che della luce compressa. Tra questi sforzi, Tsang et al. ha progettato un anello ad aggancio di fase a battimento zero che utilizzava un filtro di Kalman-Bucy e un filtro di Wiener per realizzare misurazioni rispettivamente della fase in tempo reale e della frequenza istantanea della luce coerente22. Nel 2010, Wheatley et al. ha proposto uno schema di livellamento dei dati per tracciare la fase della luce compressa. Gli esperimenti hanno dimostrato che la precisione di fase ottenuta era due volte superiore al limite che può essere raggiunto dalla luce coerente23.

Nelle misurazioni ottiche, gran parte di questa ricerca è stata utilizzata in applicazioni pratiche. Xiao et al. hanno superato con successo la precisione del limite di rumore dello sparo utilizzando l'interferenza Mach-Zehnder nel 198724. Nel 2002, Armen et al. utilizzato un circuito ottico ad aggancio di fase per tracciare continuamente la fase ottica25. Nel 2012 è stato realizzato anche il tracciamento ottico della fase utilizzando la luce compressa e questo approccio è stato poi utilizzato per tracciare i movimenti degli specchi26,27. Nel 2019, per migliorare ulteriormente la comodità di questo sistema, Zhang et al. realizzato il tracciamento continuo dei segnali nelle fibre ottiche28,29. Il tracciamento ottico della fase dei segnali in tempo reale è sempre stato un'importante direzione di sviluppo per la misurazione ottica e si è rivelato una tecnica importante nella pratica.

Nei lavori precedenti, la fase ottica del segnale veniva sempre registrata nel punto di misurazione ottimale sotto il blocco di un anello ad aggancio di fase26,30,31,32. In questo articolo viene proposta una struttura di sistema con un ritardo temporale in grado di risolvere il problema che si verifica quando la velocità del segnale è troppo veloce e l'anello ad aggancio di fase non è bloccato nel punto di misurazione ottimale. La struttura proposta consente di tracciare il punto ottimale per la misurazione della differenza di fase tra la fase del segnale e la fase dell'oscillatore locale durante l'intero processo di stima. In questo lavoro, forniamo una spiegazione teorica dei vantaggi della nuova struttura del sistema di ritardo proposta per l'uso nell'elaborazione rapida della fase del segnale variabile nel tempo. Poiché la prima misurazione non è ottimale, il sistema proposto realizza il segnale di misurazione ottimale a scapito di alcune risorse fotoniche. Inoltre, costruiamo un modello di filtro di Kalman esteso per la nuova struttura che migliora sia la stabilità del sistema che l'accuratezza dei risultati finali33,34,35,36. Le analisi teoriche e basate sulla simulazione mostrano che questa nuova struttura di sistema può eseguire la misurazione e il tracciamento di oggetti veloci in applicazioni pratiche.