호주 국립대학교 중력 천체물리학 센터의 박사과정생 아바니쉬 쿨루르 라마모한은 상대 주파수 잡음을 줄임으로써 중력파 검출에 사용되는 것과 같은 차등 측정의 정밀도를 향상시키는 연구를 진행하고 있습니다. 이 연구는 특별한 기준 공동 없이도 주파수 잡음을 완화하는 독창적인 접근법을 제시함으로써 계측학, 중력파 검출, 그리고 양자 통신 분야의 첨단 연구에 기여합니다.
이러한 시스템의 핵심 과제는 레이저 주파수 잡음, 특히 낮은 푸리에 주파수에서의 잡음을 억제하는 것입니다. 본 연구는 초안정 기준 공동이나 고도로 특수화된 레이저 시스템에 의존하지 않고 이러한 잡음을 완화하는 새로운 접근법을 제시하고자 합니다. 대신, 연구팀은 유사한 레이저와 차동 판독을 사용하는 공통 모드 잡음 제거 방식을 채택하여 비상관 잡음을 억제합니다(그림 1). Moku:Pro 그리고 모쿠 레이저 락 박스Avanish는 더 광범위한 정밀 측정 분야에 통합될 수 있는 실용적인 노이즈 억제 방법을 구현하여 향후 센서 기술과 기본 물리학 실험 분야에서 획기적인 발전을 이룰 수 있는 문을 열어줍니다.
그림 1: XNUMX개의 PLL을 사용한 광학 위상 잠금 설정 개략도(위, 종이에서 재생산됨) 및 실험 설정(하단).
호주 국립대학교 중력 천체물리학 센터에서 분리된 Liquid Instruments의 Moku 장치는 최첨단 연구에 필요한 맞춤 설정을 유지하면서 정밀하고 저잡음 측정을 가능하게 하는 이상적인 시스템을 제공합니다. Avanish는 Laser Lock Box를 사용하여 4개의 광학 위상 고정 루프를 동시에 안정화하여 레이저 주파수 잡음을 억제하고 넓은 주파수 편이 동적 범위를 확보했습니다. 진동수 응답 분석기, 위상 계측기및 향상된 특성화와 제어를 위한 기타 기기.
난제
레이저 주파수 잡음, 특히 1Hz 미만의 잡음은 낮은 푸리에 주파수 측정에서 억제하기가 특히 어렵습니다. 여러 개의 독립적인 레이저를 사용하는 시스템에서는 상관되지 않은 주파수 변동으로 인해 신호 대 잡음비가 저하되어 측정 정확도가 더욱 떨어지고, 레이저 주파수 안정화 실험에서 흔히 발생하는 환경 잡음으로부터 장기적인 안정성과 격리성을 유지하기 어렵게 됩니다.
이 장비에는 Mephisto 2000NE, Mephisto 500NE, Lightwave 126-1064-700과 같은 고급 레이저, PID 제어 기능을 갖춘 여러 디지털 서보 시스템, 그리고 루프 내/외부 광검출기가 포함됩니다. 연구팀은 이전에 데이터 수집을 위해 LIGO 유형의 제어 루프 장비에서 널리 사용되는 제어 및 데이터 시스템(CDS) 장비를 사용했습니다. 그러나 이 방법은 최대 120kHz의 데이터 수집 속도를 가지고 있어, 고속 및 저속 PID 제어를 모두 지원하기 위해 추가 서보 시스템을 추가해야 했습니다. 이 장비는 기능적으로는 효과적이었지만, 정밀 측정에 필요한 노이즈 성능을 유지하고 달성하기가 점점 어려워졌습니다.
복잡한 위상 고정 작업과 저주파 전달 함수 측정을 수행해야 했기 때문에 실험실의 기존 계측 장비로는 한계에 부딪혔습니다. 실험이 진행됨에 따라 더욱 통합적이고 유연한 시스템의 필요성이 분명해졌습니다.
"이 실험에서 Moku를 사용하는 최종 목표는 레이저에 위상 잠금 기술을 적용하는 것입니다. 모든 것이 작동 중일 때 이는 매우 중요합니다."라고 Avanish는 말했습니다. "이 방법을 사용하면 판독 결과에 주파수 노이즈가 발생하지 않습니다."
해법
Avanish는 Moku:Pro를 사용하여 이러한 과제를 해결함으로써 여러 도구를 하나의 장치로 대체할 수 있었습니다. Moku:Lab을 사용하여 노이즈를 분석하는 단계부터 점진적으로 도입을 시작하여, Moku:Pro를 사용한 전체 시스템 통합으로 전환했습니다.
"Moku의 여러 옵션을 살펴보니 '이 기기는 센서 판독값을 얻기 위해 모든 것을 할 수 있구나'라는 생각이 들었어요."라고 Avanish는 말했습니다. "Moku:Pro를 구매했고, 마침내 Moku:Pro에서 모든 캐릭터 설정을 마쳤습니다. 정말 편리했죠."
Moku:Pro의 유연성과 저잡음 성능 덕분에 Avanish는 다음 단계의 실험, 특히 위상 잠금을 성공적으로 수행했습니다. Moku:Pro를 통해 Avanish는 하나의 장치로 주요 분석, 생성 및 제어 작업을 수행하고, 장치 내 FPGA를 재구성하여 다양한 기능을 수행할 수 있었습니다. 예를 들어, Avanish는 전달 함수 측정을 위해 주파수 응답 분석기(Frequency Response Analyzer, 그림 2b)를 사용하여 그림 2a에 나타난 루프의 특성을 분석하고 피드백 제어를 검증했습니다. 또한 Moku 데이터 로거, 파형 발생기, 위상계를 사용하여 잡음 측정을 수행하고 데이터를 기록했습니다.
그림 2: (a) 루프 내 블록 구성 요소 설명자, 루프 내 입력 잡음 지점, 그리고 오류 신호 및 제어 신호 추출 지점을 보여주는 PLL 블록 다이어그램. 서보는 Moku PID 컨트롤러를 나타냅니다. (b) Moku 주파수 응답 분석기로 측정한 루프 구성 요소 블록 및 개루프 전달 함수(OLTF)의 이득 응답. 논문에서 발췌.
실험의 핵심은 Moku:Pro가 사용합니다. 다중 기구 모드장치 내부 FPGA를 부분적으로 재구성하여 4개의 독립적인 레이저 잠금 상자(Laser Lock Box) 장비를 동시에 배치하고, 각 장비는 자체적인 광학 위상 잠금 루프(OPLL)를 구동합니다. 4개의 통합 레이저 잠금 상자 장비를 통해 연구팀은 시스템 전체의 정밀한 위상 제어를 유지하면서도 설정의 복잡성을 최소화했습니다.
결과
Avanish는 Moku:Pro를 사용하여 그림 3a에서 볼 수 있듯이 넓은 튜닝 범위에 걸쳐 루프 안정성을 유지하면서 안정적이고 저잡음 위상 고정을 달성했습니다. 한 가지 중요한 실험 결과는 위상 고정에 어떠한 방해도 없이 ±100MHz 범위에서 튜닝하는 동안 국부 발진기의 위상 고정이 성공적으로 이루어졌음을 보여주며, 그림 3b에서 주파수 편차를 확인할 수 있습니다.
그림 3: PLL의 루프 내 및 루프 외 비트 노트의 주파수 편차 측정. 3(a)는 Moku Phasemeter를 사용하여 측정하였고, 3(b)의 루프 외 비트 노트 주파수 편차에 대한 시계열 측정은 NI 5761을 사용하여 측정하였습니다. 논문에서 재현하였습니다.
"수동으로 하거나 아날로그 시스템으로 해야 했다면, 로컬 오실레이터로는 이렇게 많은 기능을 사용하기 어려웠을 것 같아요. 특히 Moku의 노이즈 플로어가 매우 낮았기 때문이죠."라고 아바니시는 말했습니다. "제가 Moku의 가장 큰 장점 중 하나입니다."
그림 4에 표시된 다중 계측기 모드의 레이저 잠금 장치를 통해 Avanish는 다양한 내재적 및 성능 기반 과제를 극복하여 정밀한 위상 잠금을 달성할 수 있었습니다. 모든 과제는 다른 솔루션보다 훨씬 뛰어난 잡음 성능과 안정성을 보였습니다. 그는 동일한 기술을 사용하여 파운드-드레버-홀 잠금 올해 말에 추가 결과가 나올 것으로 예상되는 Moku:Pro 레이저 잠금 장치를 사용합니다.
그림 4: 랙 중앙에 Moku:Lab 장치 두 대와 Moku:Pro 장치 한 대를 포함한 다양한 테스트 장비가 설치된 테스트 랙. Laser Lock Box 장비는 상단 두 iPad 화면에서, Frequency Response Analyzer 이득 및 위상 플롯은 왼쪽 하단 iPad 화면에서 확인할 수 있습니다.
잠금 설정의 또 다른 핵심 도구인 Moku PID 컨트롤러내장된 이중 적분기를 사용하여 저주파에서 높은 이득을 얻을 수 있습니다.
"이것이 주파수 잡음을 그렇게 높은 수준으로 억제하는 데 실험이 도움이 된 방식입니다."라고 아바니시는 말했다. "저는 저주파에서 이 정도 이득을 얻어서 이 정도 주파수 잡음 성능을 달성할 수 있는 다른 장치를 알지 못합니다. 바로 제가 원했던 것이었습니다. 그런 성능을 낼 수 있는 다른 장치는 없습니다."
결론
아바니시와 그의 팀의 연구는 정밀 측정 분야의 오랜 기술적 난제를 해결할 뿐만 아니라, 중력 감지, 계측학, 그리고 양자 시스템 분야의 미래 연구를 위한 확장 가능한 모델을 제시합니다. Moku:Pro를 활용한 이 팀의 연구는 유연한 계측 장비와 파급력이 큰 물리학 연구의 강력한 융합을 보여주는 좋은 사례이며, 앞으로 더 많은 논문이 발표될 예정입니다.
특히, 아바니시와 그의 팀은 토션 진자 다이얼 발진기(TorPeDO)를 시운전하고 있습니다. 이 구현 방식과 Moku:Pro 레이저 잠금 장치를 사용하여 네 개의 레이저에 동시에 파운드-드레버-홀 잠금을 수행함으로써, 연구팀은 뉴턴 잡음(중력 기울기 잡음)을 직접 측정하고 TorPeDO 공동 길이 변화에 따라 측정 레이저 주파수를 정밀하게 제어할 수 있습니다(그림 5).
그림 5: ToRPeDO 센서 회로도. 피드백 제어, 저역 통과 필터(LPF), 믹서, 그리고 PDH 국부 발진기는 Moku:Pro에 포함되어 있습니다. 논문에서 발췌.
Moku:Pro는 이 중력 물리학 연구실에서 없어서는 안 될 도구가 되었으며, 단일 재구성 가능한 장치 내에서 고성능 위상 잠금, 저주파 노이즈 억제 및 통합 시스템 제어가 가능합니다.
Avanish와 그의 팀의 실험에 대해 자세히 알아보려면 전체 논문을 읽어보세요. LINK.
