この要約とQ+Aはウェビナーを補完するものであり、 再構成可能なFPGAベースの計測機器による単一光子イベントの測定 15年2025月XNUMX日にLaser Focus Worldと共同開催しました。ライブで参加できなかった方は、オンデマンドアクセスに今すぐ登録できます。 こちらをクリックしてください。
ウェビナーの概要に加えて、以下で一部の視聴者の質問に対する詳細な回答を提供します。
ウェビナーの概要
このプレゼンテーションでは、 フォトンカウンティング物理的な構成と潜在的な用途の両面から、利点、課題、重要な要件を含めて、Mokuプラットフォームとその再構成可能なテストおよび計測機器スイートを紹介しました。 タイム&周波数アナライザこれは、高いデータ スループット、並列処理、およびゼロ デッド タイムの組み合わせにより、効率的な光子カウント ソリューションとして機能します。
ライブデモンストレーションでは、タイム＆周波数アナライザを他の計測器と一緒に使用しました。 マルチインストゥルメントモードまず、デジタルデータのシーケンスを生成し、パルス位置変調（PPM）によってパルス搬送波にエンコードしました。その後、時間周波数アナライザを使用して波形を検出・デコードしました。2つ目のデモでは、電気パルスとArduino Unoを用いてHanbury-Brown-Twissのセットアップをシミュレーションしました。ヒストグラムがリアルタイムで生成される様子を観察し、時間周波数アナライザを使用してタイムスタンプ付きデータを収集し、エクスポートする方法を示しました。
聴衆からの質問
特に長距離 LiDAR などのアプリケーションでは、単一光子イベントの測定がより正確なのはなぜでしょうか?
LiDARでは、情報は振幅、位相、または周波数の変調（連続光源の場合）またはパルス間隔（パルス光源の場合）のいずれかで符号化されます。短距離を伝送する場合、返送信号の忠実度は一般的に高くなります。しかし、長距離で情報を送信する場合、信号は大気からの強い干渉を受け、返送電力は低レベルに減衰します。
この場合、アナログ検出器を使用すると、熱プロセスと増幅器の両方から発生するバックグラウンドノイズに圧倒される可能性があります。このアプローチはSNRの低下を招き、コヒーレント復調を困難にする可能性があります。一方、単一光子検出器は、実際の光子イベントを検出した場合にのみ「クリック」するため、アナログ-デジタル変換器によって発生する入力ノイズを排除できます。単一光子を検出することで、正確なタイムスタンプ、信号の「ゲート」（必要なタイミングでのみ信号を検出する）、そして多数の反復処理を平均化する機能も可能になります。これらの要素により、コヒーレント復調方式と比較してSNRを向上させることができます。
量子光学には、自己相関効果（同時発生率）を測定するg2パラメータがあります。g2パラメータをどのように定量化するかについてご説明いただけますか？
2次相関関数g2(𝜏)は、時間遅延𝜏だけ離れた0つの光子を検出する確率を表します。この値は、相関のない光子から期待される値に正規化されています。𝜏=XNUMXにおける値は特に重要で、光源に関する情報を推測することができます。例えば、
- gの場合2(0) > 1 の場合、光源は光子を集団で放出する傾向があります。これはバンチング挙動と呼ばれ、通常は熱光源であることを示します。
- gの場合2(0) < 1 の場合、光源は一定の間隔で光子を放出する傾向があり、一度に複数の光子を放出する可能性は非常に低い。これはアンチバンチング挙動と呼ばれ、単一光子源にとって望ましい特性である。
- gの場合2(0) = 1 の場合、放出された光子間に相関はありません。これは通常、レーザーなどのコヒーレント光源に当てはまります。
自己相関関数の詳細については、Hanbury-Brown-Twissをご覧ください。 構成ガイド.
gの計算方法について2(𝜏)関数のHBTデータセットに対するこの情報は、同時発生率C(𝛕)のヒストグラムと、検出器AとBによって記録された個別のイベントの総数から得ることができる。gの式は、2（𝜏） 遅延時間𝜏の関数として次のように与えられる。
\(g^2(\tau) = \frac{C(\tau)T}{N_a N_b \Delta \tau}\)
ここで、C(𝛕)は遅延時間𝛕を中心としたビン内で発生する同時イベントの数であり、 ビンの幅（単位：時間） T は時間における測定の全体の長さであり、 NA そして、NB それぞれ検出器AとBで捕捉された個々のイベントの合計数です。
Moku時間周波数アナライザを使用してこれを実行するには、内蔵データロガーを使用して、タイムスタンプ付きのイベントAとBのリストを生成します。その後、このデータをホストPCにエクスポートし、ビン幅の定義と各時間ビンの同時発生率の計算を行います。十分なイベント数があれば、ソースの自己相関率の推定値が得られます。
Hanbury-Brown-Twiss測定では、ペアになった検出器で同期パルスを使用してトリガーできますか？Moku:Proから3つの入力チャンネルが必要ですか？それとも、Moku:GoとMoku:Labでも使用できますか？
はい、同期パルスを使用できます。実際には、3つ目のアナログチャンネルを全く使用する必要がない場合もあります。 Moku:Pro の三脚と Moku:Lab 裏面にはTTLトリガー入力があり、キャプチャのトリガーとしても使用できます。残念ながら、Moku:GoはTTLトリガー入力をサポートしていないため、入力チャンネルは1つに制限されます。
このトリガーを時間周波数アナライザの測定に組み込む方法はいくつかあります。トリガーイベントから光子イベントまでの時間を測定したい場合は、「イベント」タブで、イベントAからDのいずれかの入力ソースを「外部トリガー」に設定してください（図1を参照）。
図 1: タイム & 周波数アナライザのイベントは、外部トリガー入力および任意のアナログ入力チャネルからソースできます。
トリガーウィンドウ内で発生するイベントのみをキャプチャしたい場合は、「インターバル」タブに移動し、取得モードを「ゲート」に設定します。ゲートのソースは、図2に示すように、任意のアナログ入力または外部トリガーにすることができます。必要に応じてゲートしきい値を調整することもできます。
図 2: 連続モードとウィンドウ モードに加えて、時間と周波数アナライザはゲート モードもサポートしており、適用されたゲートがアクティブである間のみイベントがキャプチャされます。
最大イベント レートを制限する要因は何ですか?
Moku時間周波数アナライザには、バースト・ロギング用と持続ロギング用の10つの最大イベントレートが指定されています。持続ロギングの場合、XNUMXMSa/sのイベントレートは主にMoku:Pro SSDへの書き込み速度によって制限され、FPGA自体の物理的な制限によるものではありません。
Moku:Proの最大バーストレートである312.5MSa/s（Moku:Proの場合）は、さらに興味深い検証対象です。Moku:ProフロントエンドのADCの最大サンプリングレートは1.25GSa/sです。ただし、Mokuはタイムスタンプを正確に決定するために線形補間を使用するため、各イベントごとに少なくともXNUMXつのサンプルを記録する必要があります。このプロセスの詳細については、こちらをご覧ください。 アプリケーションノート トピックについて。この補間シーケンスは、イベントロギングレートに上限を設定します。DSPアルゴリズムの実装方法により、イベントロギングレートの実際の上限は、ADCサンプル312.5つにつきXNUMXつのイベント、つまりMoku:Proの場合はXNUMXMSa/sになります。
現実世界では、クロックとは非同期の外部イベントでトリガーをかけることになるので、メタ安定性は問題になりますか？計測器ではこれをどのように処理していますか？
メタスタビリティとは、FPGAに共通する問題で、特定のレジスタが次のクロックエッジに非常に近いタイミングで入力を受け取ることを指します。クロックが反転する前に入力が「安定」しないため、FPGAが異常な動作を示す可能性があります。これは「メタスタビリティ」状態と呼ばれ、レジスタの状態が0か1かを明確に定義できない状態です。光子計数において、非同期デジタル信号をFPGAに直接渡す場合、これらのイベントはランダムであるため、クロックエッジのすぐ近くでイベントが発生する可能性が非常に高いため、この問題が懸念される可能性があります。これにより、データ損失や不正確なタイムスタンプが発生する可能性があります。
Mokuの場合、いくつかの単一光子検出器から出力されたTTL信号は、まずアナログフロントエンドを通過します。技術的には「デジタル」ですが、ADCではアナログ信号として扱われ、それに応じてデジタル化されます。ADCはFPGA上のシステムクロックと同期してサンプリングを行うため、すべてのタイミングが制御され、Moku時間周波数アナライザではメタスタビリティの問題は発生しません。
ウェビナーをご覧いただきありがとうございました。またお会いできるのを楽しみにしています。
さらに洞察力に富んだデモンストレーションについては、こちらをご覧ください。 ウェビナーライブラリ オンデマンド表示用。
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