Estimativa de fase óptica adaptativa para real

Jan 20, 2024

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 21745 (2022) Citar este artigo

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O rastreamento de fase óptica é uma técnica importante para uso em aplicações de medição de alta precisão, incluindo metrologia de frequência óptica e observação de ondas gravitacionais baseadas no solo ou no espaço e comunicações ópticas coerentes. Ao medir sinais em tempo real de variação rápida, as limitações de tempo de resposta do loop de bloqueio de fase do sistema de medição fazem com que o melhor ponto de operação seja incompatível e a medição se torne não linear. Para tornar essas medições possíveis, este trabalho propõe um loop de atraso de tempo que teoricamente permite a detecção homódina ótima. Quando o loop de atraso de tempo é combinado com um filtro de Kalman estendido, a precisão da medição estimada é aprimorada em 2,4 dB ao rastrear um sinal aleatório de variação rápida com uma velocidade de 107 rad/s. Essa melhoria na estimativa de fase também aumenta à medida que o ângulo de interferência se desvia ainda mais do ponto de medição ideal. O método proposto mostra potencial para uso em aplicações de medição e detecção em tempo real.

O rastreamento óptico de fase ocupa uma posição de aplicação única devido ao seu uso na medição de alvos ou sinais dinâmicos1,2,3,4,5,6, incluindo detecção de ondas gravitacionais e medições biológicas7,8. Entretanto, na medição óptica clássica, cada medição possui um limite superior de precisão, que é o limite de ruído quântico determinado pela mecânica quântica9,10,11,12,13,14,15,16. Para medições de fase constante, o limite de precisão da medição óptica é determinado com base no número de fótons N a ser \(1/\sqrt N\)10. O principal método atualmente utilizado para ultrapassar o limite de precisão da medição óptica envolve o uso de fontes de luz não clássicas11,17,18,19,20. Por exemplo, em 1981, Caves propôs pela primeira vez que o interferômetro Mach-Zehnder deveria usar luz de vácuo espremida para atingir níveis de sensibilidade de ruído sub-shot10. Para alvos dinâmicos, Wiseman et al. propôs um esquema de medição de controle de realimentação, no qual as informações de medição foram usadas para permitir o controle de realimentação da fase do oscilador local; a fase relativa entre a luz do oscilador local e o sinal a ser medido foi então travada em \(\pi /2\), e verificou-se que a precisão de medição deste método adaptativo é \(\sqrt 2\) vezes a de o método não adaptativo21. Com base na estrutura de medição de feedback adaptativo proposta por Wiseman, um grande número de teorias clássicas de estimativa foi usado para determinar os parâmetros de fase da luz coerente e da luz comprimida. Entre esses esforços, Tsang et al. projetou um loop de bloqueio de fase de batimento zero que usou um filtro Kalman-Bucy e um filtro Wiener para realizar medições da fase em tempo real e da frequência instantânea da luz coerente, respectivamente22. Em 2010, Wheatley et al. propôs um esquema de suavização de dados para rastrear a fase da luz comprimida. Experimentos mostraram que a precisão de fase obtida foi duas vezes maior do que o limite que pode ser alcançado pela luz coerente23.

Em medições ópticas, grande parte dessa pesquisa foi utilizada em aplicações práticas. Xiao et ai. excedeu com sucesso a precisão do limite de ruído de tiro usando interferência de Mach-Zehnder em 198724. Em 2002, Armen et al. usou um loop óptico de travamento de fase para rastrear a fase óptica continuamente25. Em 2012, o rastreamento de fase óptica também foi realizado usando luz espremida, e essa abordagem foi usada para rastrear os movimentos de espelhos26,27. Em 2019, para melhorar ainda mais a conveniência desse sistema, Zhang et al. realizaram rastreamento contínuo de sinais em fibras ópticas28,29. O rastreamento de fase óptica de sinais em tempo real sempre foi uma importante direção de desenvolvimento para medição óptica e provou ser uma técnica importante na prática.

Em trabalhos anteriores, a fase óptica do sinal sempre foi registrada no ponto de medição ideal sob o bloqueio de um loop de bloqueio de fase26,30,31,32. Neste artigo, é proposta uma estrutura de sistema com atraso de tempo que pode resolver o problema que ocorre quando a taxa de sinal é muito rápida e o loop de travamento de fase não está travado no ponto de medição ideal. A estrutura proposta permite rastrear o ponto ótimo para medição da diferença de fase entre a fase do sinal e a fase do oscilador local ao longo de todo o processo de estimação. Neste trabalho, fornecemos uma explicação teórica das vantagens da nova estrutura de sistema de atraso de tempo proposta para uso em processamento rápido de fase de sinal variável no tempo. Como a primeira medição não é ótima, o sistema proposto realiza o sinal de medição ideal à custa de alguns recursos de fótons. Além disso, construímos um modelo de filtro de Kalman estendido para a nova estrutura que melhora tanto a estabilidade do sistema quanto a precisão dos resultados finais33,34,35,36. Análises teóricas e baseadas em simulação mostram que esta nova estrutura de sistema pode realizar medição e rastreamento de objetos rápidos em aplicações práticas.