아빅 더트, 박사, 조교수 및 사샹크 카우식, 박사과정 학생, 메릴랜드 대학 물리과학과 기술 연구소 수행 광자학 연구 온칩 및 파이버 장치를 중심으로 합니다. 그들의 연구는 광학 링 공진기 또는 광섬유 루프에 초점을 맞춥니다. 이러한 루프 내부에는 공진기의 스펙트럼 정보를 조정하는 데 사용되는 전기 광학 변조기(EOM)가 있습니다. 이러한 설정을 통해 연구자는 광섬유 내부의 빛의 주파수를 변경하거나 이동시켜 공진기 전체에서 다른 스펙트럼 운동을 설계할 수 있는 자유를 얻습니다. 그들의 궁극적인 목표는 빛이 물질처럼 행동하도록 하는 것입니다.
광섬유 연구의 필수적인 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 길이에 대한 파장 이하의 정밀도가 필요하며, 기존의 안정화 방법은 이를 달성하기 위해 고군분투합니다. 150nm와 같은 공동 길이의 작은 편차조차도 결합을 방해하고 혼성화된 슈퍼모드와 장기 안정성의 형성을 방해할 수 있습니다.
단일 링 공진기의 경우 연구원들은 Moku를 사용했습니다. 레이저 락 박스 구현하기 위해 파운드-드레버-홀(PDH) 피드백 기술. 이 방법은 하나의 캐비티에 효과가 있지만, 연구자들은 두 개의 결합된 캐비티에 새로운 안정화 기술을 구현해야 했습니다. 그들은 각 컨트롤러의 주파수 응답을 보고 주의 깊게 조정할 수 있는 동시에 계단식 고급 PID 컨트롤러를 구현해야 했습니다.
Avik과 Sashank는 실험을 시작하고 실행하기 위해 광범위한 테스트 도구가 필요했습니다. Sashank는 "우리는 도구 키트에 스위스 군용 칼 도구를 원했습니다. 여러 가지 다른 목적을 위해 개별 도구를 구매하는 것은 새로운 실험실에 돈을 잘 쓰는 것 같지 않았기 때문입니다."라고 말했습니다.
그들은 기존 실험실 장비와 함께 다재다능하고 재구성 가능한 계측기를 사용할 수 있는 능력을 갖추면 여러 개의 독립형 계측기를 사용하는 것보다 훨씬 더 높은 효율성을 얻을 수 있을 것이라고 말했습니다.
"EOM을 프로그래밍하여 올바른 종류의 신호를 생성하려면 어떻게 해야 하나요? 이러한 것들을 충분히 빠르게 측정하려면 어떻게 해야 하나요? 그리고 모든 측정을 하나의 턴키 시스템에서 동기화하려면 어떻게 해야 하나요?" Sashank가 말했습니다. "우리는 Moku:Pro를 사용해 왔고 Moku:Go —그것들은 매우, 매우 유익했습니다."
팀은 Red Pitaya STEMlab과 같은 다른 테스트 장치에 액세스할 수 있었지만 연구 목표를 달성하기 위해 더 낮은 노이즈, 더 높은 대역폭 및 더 나은 비트 해상도를 제공하는 솔루션이 필요했으며 Moku가 이상적인 선택이었습니다. Moku는 또한 저울을 기울이는 데 도움이 되는 추가 내장 기능을 제공했으며 여기에는 다음이 포함됩니다. PID 컨트롤러 그리고 레이저 주파수 안정화를 위한 솔루션이 모두 하나의 장치로 가능합니다.
해법
물리학 학부생 Dhruv가 이끄는 연구원들은 그림 1에 표시된 전송 스펙트럼의 XNUMX차 및 XNUMX차 도함수를 통합하는 새로운 피드백 신호를 도입했습니다. 이러한 도함수를 Moku:Pro에서 디지털로 구현된 PID 컨트롤러와 결합하여 원하는 잠금 위치에서 고유한 비대칭 XNUMX점을 갖는 맞춤형 오류 신호를 생성할 수 있었습니다.
이 접근 방식을 미세 조정하기 위해 팀은 다음을 사용했습니다. 다중 장비 모드 Moku:Pro에서 Moku로 설정 디지털 필터 박스 그리고 여러 PID 컨트롤러 계측기. 디지털 필터 상자에는 노이즈를 억제하고 피드백 응답을 최적화하기 위한 저역 통과 8차 버터워스 필터가 들어 있습니다. PID 컨트롤러를 통해 팀은 주파수 영역에서 직접 피드백 루프를 분석하고 조정할 수 있었습니다. 이 접근 방식을 통해 컨트롤러를 신중하게 조정하여 필요한 정확한 스펙트럼 응답을 얻을 수 있었습니다.
다중 계측기 모드에서 계단식 PID 컨트롤러와 디지털 필터 상자를 통해 구현된 고차 미분 피드백 방식은 Avik, Dhruv 및 Sashank가 투과 스펙트럼의 1차 및 2차 미분에서 파생된 피드백 신호를 사용하여 캐비티 길이를 동일하게 하는 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 그리고 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 슈퍼모드 근처에서 측정된 투과율. 투과율의 XNUMX차 도함수만 사용하는 것은 공동을 안정적으로 결합하는 데 충분하지 않아 고차 도함수 PID 제어가 필요합니다.
Moku를 사용하면 연구실에서 일하는 학부생도 고급 연구 장비에 즉시 액세스할 수 있습니다. 그들은 이 장비 세트를 사용하여 신호의 변화를 추적, 모니터링 및 분석할 수 있습니다. 잠금 상자의 여러 부분과 같은 기술적 측면은 학생들에게 설명하기 어려운 경우가 많지만, 앱에 신호 경로가 표시되어 있으면 실험 개념을 쉽게 설명할 수 있습니다.
Avik은 "전반적으로, 그것은 우리에게 매우, 매우 다재다능한 도구였습니다. 특히 새로운 연구실에서 시작하는 우리에게는 더욱 그렇습니다."라고 말했습니다.
결론
이 새로운 피드백 기술은 Avik, Dhruv 및 Sashank가 재구성 가능한 테스트 계측기를 활용하면서 결합된 파이버 캐비티 잠금과 관련된 많은 과제를 극복하는 데 도움이 되었습니다. Moku를 통해 연구자들은 쉬운 실험 조정, 신호 분석 및 생성 기능, 빠른 테스트 자동화를 가능하게 하는 유연하고 디지털로 구현된 테스트 시스템에 액세스할 수 있습니다.
앞으로 팀은 다음을 사용할 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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