아빅 더트, 박사, 조교수 및 사샹크 카우식, 박사과정 학생, 메릴랜드 대학 물리과학과 기술 연구소 수행 광자학 연구 이 연구는 온칩 및 광섬유 장치를 중심으로 진행됩니다. 특히 광섬유 고리 공진기에 초점을 맞추고 있는데, 이 고리 안에는 공진기 내 스펙트럼 정보를 조절하는 데 사용되는 전기광학 변조기(EOM)가 있습니다. 이러한 구성을 통해 연구원들은 광섬유 내부의 빛 주파수를 변경하거나 이동시킬 수 있으며, 이를 통해 공진기 전체에 걸쳐 다양한 스펙트럼 움직임을 구현할 수 있습니다.
그들의 궁극적인 목표는 빛이 물질처럼 행동하게 만드는 것입니다. 광섬유 연구의 핵심적인 부분은 다음과 같습니다. Moku:Pro, Liquid Instruments의 FPGA 기반 테스트 장치로, 재구성 가능한 15개 이상의 소프트웨어 정의 계측기 모음에 대한 액세스를 제공합니다. Moku:Pro는 팀에 데이터를 분석하고, RF 신호를 생성하고, 피드백 시스템을 제어하는 데 필요한 도구를 제공합니다. 이 모든 것이 단일 장치에서 가능합니다.
난제
그들의 실험은 광자 분자를 형성하기 위한 5.6m 길이의 파이버 공진기 한 쌍으로 구성되어 있습니다. 광섬유 공진기는 마이크로 공진기에 비해 더 작은 자유 스펙트럼 범위(FSR)와 더 높은 구성 가능성을 달성할 수 있습니다. 그러나 열, 편광 및 기계적 교란에 더 취약하여 성공을 위해서는 고급 안정화가 필수적입니다.
광자 분자를 형성하기 위해 두 공진기의 결합 상태를 유지하려면 공진기 길이에 있어 서브파장 수준의 정밀도가 요구되는데, 기존의 안정화 방법으로는 이를 달성하기 어렵습니다. 150nm와 같은 작은 공진기 길이 편차조차도 결합을 방해하고 혼성화된 초모드 형성 및 장기적인 안정성을 저해할 수 있습니다. 단일 링 공진기의 경우, 연구진은 Moku를 사용했습니다. 레이저 락 박스 구현하기 위해 파운드-드레버-홀(PDH) 피드백 기법.
이 방법은 하나의 공동에는 효과적이지만, 연구진은 두 개의 연결된 공동에 대한 새로운 안정화 기술을 구현해야 했습니다. 각 컨트롤러의 주파수 응답을 확인하고 세밀하게 조정할 수 있으면서, 고급 PID 컨트롤러를 직렬로 연결해야 했습니다. 아비크와 사샨크는 실험을 진행하기 위해 다양한 테스트 장비가 필요했습니다.
"새로운 연구실을 위해 여러 용도로 개별 장비를 구입하는 것은 비용 대비 효율이 떨어진다고 생각했기 때문에, 마치 스위스 군용 칼처럼 다용도로 활용할 수 있는 도구가 필요했습니다."라고 사샹크는 말했습니다. 그들은 기존 실험 장비와 함께 다재다능하고 재구성 가능한 장비를 사용할 수 있다면 여러 개의 독립형 장비를 사용하는 것보다 훨씬 효율적일 것이라고 생각했습니다. "EOM(진동계 발진기)이 원하는 종류의 신호를 생성하도록 어떻게 프로그래밍하고, 이러한 것들을 충분히 빠르게 측정하고, 모든 측정값을 하나의 완벽한 시스템에서 어떻게 동기화할 수 있을까요?"라고 사샹크는 질문했습니다. "저희는 Moku:Pro를 사용해 왔습니다." Moku:Go "정말 큰 도움이 되었습니다." 연구팀은 Red Pitaya STEMlab과 같은 다른 테스트 장비도 사용할 수 있었지만, 연구 목표를 달성하기 위해서는 노이즈가 적고 대역폭이 넓으며 비트 해상도가 더 높은 솔루션이 필요했고, Moku가 이상적인 선택이었습니다. Moku는 또한 다음과 같은 추가적인 내장 기능을 제공하여 최종 결정을 내리는 데 도움을 주었습니다. PID 컨트롤러 그리고 레이저 주파수 안정화를 위한 솔루션이 모두 하나의 장치로 가능합니다.
해법
물리학과 학부생인 드루브가 이끄는 연구팀은 그림 1에서 볼 수 있듯이 투과 스펙트럼의 1차 및 2차 미분을 통합한 새로운 피드백 신호를 도입했습니다. 이 미분값을 Moku:Pro에 디지털 방식으로 구현된 PID 컨트롤러와 결합함으로써, 원하는 잠금 위치에서 고유하고 비대칭적인 영점을 갖는 맞춤형 오차 신호를 생성할 수 있었습니다. 이 접근 방식을 미세 조정하기 위해 연구팀은 다음을 사용했습니다. 다중 장비 모드 Moku:Pro에서 Moku로 설정 디지털 필터 박스 또한 여러 개의 PID 제어기 계측 장비를 사용했습니다. 디지털 필터 박스에는 노이즈를 억제하고 피드백 응답을 최적화하기 위한 8차 버터워스 저역 통과 필터가 포함되어 있었습니다. PID 제어기를 통해 연구팀은 주파수 영역에서 직접 피드백 루프를 분석하고 조정할 수 있었습니다.
이러한 접근 방식을 통해 그들은 필요한 정확한 스펙트럼 응답을 얻기 위해 컨트롤러를 세심하게 조정할 수 있었습니다. 다중 계측 모드에서 계단식 PID 컨트롤러와 디지털 필터 박스를 통해 구현된 고차 미분 피드백 방식은 Avik, Dhruv 및 Sashank가 투과 스펙트럼의 1차 및 2차 미분에서 얻은 피드백 신호를 사용하여 공동 길이를 균등화하는 데 도움이 되었습니다.
그림 1: (a) EOM, PD, SOA, DSP(Moku)로 구성된 PID 제어 루프를 포함한 실험 설정. (b) 획득한 실험적 전송 및 이후의 다중 PID 방식((c), (d))으로 EOM의 위상 변조를 위한 오류 신호를 생성합니다. 8차 도함수를 구한 후, EOM 변조로 인한 전송 변동은 Moku 디지털 필터 박스를 통해 구현된 저역 통과 XNUMX차 버터워스 필터로 억제합니다. 그런 다음 신호는 계단식 Moku PID 컨트롤러로 조정됩니다. 논문에서 재현.
실험을 진행하고 결과를 측정하기 위한 신호를 생성하기 위해 연구원들은 Moku를 계단식으로 연결했습니다. 오실로스코프 임의 파형 발생기 다중 계측기 모드(그림 2)에서 더 높은 대역폭과 선형 스윕을 위한 더 깨끗한 오실로스코프 데이터 덕분에 실험에서 공동 응답과 레이저 신호를 더욱 명확하게 관찰할 수 있었으며, 이를 통해 링 공동의 품질 계수와 정밀성을 정확하게 파악할 수 있었습니다.
그림 2: 실험에서 EOM을 구동하는 데 사용되는 Moku 임의 파형 생성기. 종이에서 재생산.
결과
계단식 PID 기법은 광자 분자의 비선형 및 위상 현상에 대한 장기적 안정 연구를 가능하게 하며, 특히 양자 시뮬레이션과 같이 고정밀성과 동적, 유연 제어가 필요한 시스템에서 유용합니다. 연구진은 광자 분자의 견고한 안정화를 달성하여 6.08초 동안 0.361 ± 14 MHz의 공진 주파수 간격을 유지했으며, 잠금 해제 상태(그림 3)에 비해 드리프트가 크게 감소했습니다. Moku:Pro를 사용하여 구현된 피드백 시스템은 600 nm의 의도적인 공동 길이 변화에 효과적으로 대응하고 결합 상태를 빠르게 복원할 수 있습니다.
그림 3: 14초 동안 광자 분자 초모드 근처에서 측정된 투과율.
전송률의 1차 미분값만으로는 공동의 안정적인 결합을 유지하기에 불충분하므로 고차 미분값 PID 제어가 필요합니다. Moku 덕분에 연구실의 학부생들은 첨단 연구 장비를 즉시 이용할 수 있게 되었습니다. 그들은 다양한 장비를 사용하여 신호 변화를 추적, 모니터링 및 분석할 수 있었습니다. 잠금 상자의 각 부분과 같은 기술적인 측면은 학생들에게 설명하기 어려운 경우가 많지만, 앱에서 신호 경로를 보여주기 때문에 실험 개념을 쉽게 설명할 수 있습니다. 아비크는 "전반적으로, 특히 새로운 연구실에서 시작하는 우리에게 매우 다재다능한 도구였습니다."라고 말했습니다.
맺음말
이 새로운 피드백 기술은 Avik, Dhruv 및 Sashank가 재구성 가능한 테스트 장비를 활용하면서 결합된 광섬유 공동 잠금과 관련된 여러 문제를 극복하는 데 도움이 되었습니다. Moku를 통해 연구원들은 손쉬운 실험 조정, 신호 분석 및 생성, 빠른 테스트 자동화가 가능한 유연하고 디지털 방식으로 구현된 테스트 시스템을 사용할 수 있게 되었습니다. 앞으로 연구팀은 이 기술을 활용하여 더 많은 연구를 진행할 계획입니다. Moku API 수동 테스트를 줄이고 더 많은 측정을 자동화합니다. 이 접근 방식은 반복성을 높이는 동시에 설정에서 위험을 줄이는 데 도움이 됩니다. 또한 Moku를 사용해 보고 싶어합니다. 시간 및 진동수 분석기 시간적 이벤트를 동기화합니다.
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