アヴィク・ダット、博士、助教授、 サシャンク・カウシク博士課程の学生である メリーランド大学 物理科学技術研究所の実施 フォトニクス研究 オンチップおよびファイバーデバイスを中心に研究しています。彼らの研究は、光リング共振器、つまり光ファイバーのループに焦点を当てています。これらのループ内には、共振器内のスペクトル情報を調整するために使用される電気光学変調器 (EOM) があります。この設定により、研究者は光ファイバー内の光の周波数を変更またはシフトすることができ、共振器間で異なるスペクトルの動きを自由に設計できます。彼らの最終的な目標は、光を物質のように動作させることです。
彼らの光ファイバー研究の不可欠な部分は Moku:Proは、Liquid Instruments の FPGA ベースのテスト デバイスで、15 種類以上のソフトウェア定義計測器の再構成可能なスイートへのアクセスを提供します。Moku:Pro は、データの分析、RF 信号の生成、フィードバック システムの制御に必要なツールをすべて XNUMX つのデバイスからチームに提供します。
課題
彼らの実験は、フォトニック分子を形成するために 5.6 メートルの長さのファイバー共振器のペアで構成されています。光ファイバー共振器は、マイクロ共振器と比較して、より小さな自由スペクトル範囲 (FSR) とより高い構成可能性を実現できます。ただし、熱、偏光、および機械的摂動の影響を受けやすいため、成功するには高度な安定化が不可欠です。
150 つの共振器の結合状態を維持してフォトニック分子を形成するには、共振器の長さを波長以下の精度で維持する必要がありますが、従来の安定化方法ではこれを達成するのは困難です。共振器の長さが XNUMX nm 程度とわずかにずれただけでも、結合が妨げられ、ハイブリッド スーパーモードの形成と長期安定性が妨げられる可能性があります。
単一のリング共振器として、研究者らはMoku レーザーロックボックス を実装する パウンド・ドレーヴァー・ホール（PDH） フィードバック技術。この方法は 1 つのキャビティには有効ですが、研究者は 2 つの結合されたキャビティに対して新しい安定化技術を実装する必要がありました。各コントローラの周波数応答を表示して慎重に調整しながら、カスケード接続された高度な PID コントローラを実装する必要がありました。
アヴィク氏とサシャンク氏は、実験を開始するために、さまざまなテスト機器を必要としていました。「私たちはツールキットにスイスアーミーナイフのようなツールを求めていました。さまざまな目的のために個別の機器を購入するのは、新しい研究室にとってお金の有効な使い方とは思えなかったからです」とサシャンク氏は言います。
既存の研究室設備と並行して、多用途で再構成可能な機器を使用できれば、複数の独立した機器を使用する場合よりもはるかに効率が上がるだろうと彼らは述べています。
「EOMをプログラムして適切な種類の信号を生成するにはどうすればいいか、どうすればこれらのものを十分速く測定できるか、そしてすべての測定を1つのターンキーシステムで同期するにはどうすればいいか」とサシャンクは言う。「私たちはMoku:Proと Moku:Go 「非常に有益でした。」
チームはRed Pitaya STEMlabなどの他のテストデバイスにアクセスできましたが、研究目標を達成するには、ノイズが少なく、帯域幅が高く、ビット解像度が高いソリューションが必要でした。Mokuは理想的な選択でした。Mokuには、次のような追加の組み込み機能も備わっており、それが決定打となりました。 PIDコントローラー レーザー周波数安定化のためのソリューションをすべて 1 つのデバイスで実現します。
ソリューション
物理学科の学部生である Dhruv 氏が率いる研究者たちは、図 1 に示すように、透過スペクトルの XNUMX 次導関数と XNUMX 次導関数を組み込んだ新しいフィードバック信号を導入しました。これらの導関数を Moku:Pro にデジタル実装された PID コントローラーと組み合わせることで、目的のロック位置で独自の非対称ゼロ ポイントを持つカスタマイズされたエラー信号を作成することができました。
このアプローチを微調整するために、チームは マルチインストゥルメントモード Moku:ProでMokuをセットアップする デジタルフィルターボックス および複数の PID コントローラー機器。デジタル フィルター ボックスには、ノイズを抑制し、フィードバック応答を最適化するためのローパス 8 次バターワース フィルターが含まれています。PID コントローラーにより、チームはフィードバック ループを周波数領域で直接分析および調整できるようになりました。このアプローチにより、コントローラーを慎重に調整して、必要なスペクトル応答を正確に実現できました。
マルチインストゥルメント モードでカスケード接続された PID コントローラーとデジタル フィルター ボックスを介して実装された高次微分フィードバック メソッドにより、Avik、Dhruv、および Sashank は、透過スペクトルの 1 次微分と 2 次微分の両方から得られたフィードバック信号を使用してキャビティ長を均等化できました。
図 1: (a) EOM、PD、SOA、DSP (Moku) で構成される PID 制御ループを含む実験セットアップ。(b) 得られた実験的透過率と、それに続くマルチ PID 方式 ((c)、(d)) により、EOM を位相変調するためのエラー信号が生成されます。8 次導関数を取った後、EOM 変調による透過率の変動は、Moku デジタル フィルタ ボックスを介して実装されたローパス XNUMX 次バターワース フィルタによって抑制されます。次に、信号はカスケード接続された Moku PID コントローラで調整されます。論文から転載。
実験を駆動し結果を測定するための信号を生成するために、研究者らはMokuをカスケード接続した。 オシロスコープ の三脚と 任意波形発生器 マルチインストゥルメントモード（図2）で、より広い帯域幅とより鮮明な線形掃引のオシロスコープデータにより、実験におけるキャビティ応答とレーザー信号をより明確に観察することができ、リングキャビティの品質係数と精度を非常に正確に把握することができました。
図 2: 実験で EOM を駆動するために使用されている Moku 任意波形発生器。論文から転載。
結果
カスケードPID技術は、フォトニック分子における非線形現象およびトポロジカル現象の長期安定的な研究を可能にし、特に量子シミュレーションのように高精度かつ動的で柔軟な制御を必要とするシステムにおいて有効です。研究者らは、フォトニック分子の堅牢な安定化を達成し、6.08秒間にわたって0.361 ± 14 MHzの共振周波数間隔を維持し、ロック解除状態と比較してドリフトを大幅に低減しました（図3）。Moku:Proを用いて実装されたフィードバックシステムは、600 nmの意図的な共振器長の変化に効果的に応答し、結合状態を迅速に回復できます。
図 3: 14 秒間にわたるフォトニック分子スーパーモード付近の透過率の測定。透過率の XNUMX 次微分値のみを使用するだけでは、キャビティを安定して結合させるのに不十分であり、より高次の微分 PID 制御が必要になります。
Moku を使用すると、研究室で作業する学部生も高度な研究機器にすぐにアクセスできるようになりました。一連の機器を使用して、信号の変化を追跡、監視、分析できます。ロック ボックスのさまざまな部品などの技術的な側面は、学生に説明するのが難しいことがよくありますが、アプリに信号パスが表示されるため、実験の概念を簡単に説明できます。
「全体的に見て、これは私たちにとって、特に新しい研究室を立ち上げるにあたって、非常に多用途なツールとなっています」とアヴィク氏は語った。
結論
この新しいフィードバック技術により、Avik、Dhruv、Sashank は、再構成可能なテスト機器を活用しながら、結合ファイバーキャビティのロックに関連する多くの課題を克服することができました。Moku を使用することで、研究者は、実験の調整が容易になり、信号を分析および生成し、テストを迅速に自動化できる、柔軟でデジタル実装されたテスト システムにアクセスできるようになりました。
将来的には、チームは モクAPI 手動テストを減らし、より多くの測定を自動化します。このアプローチは、セットアップのリスクを軽減し、再現性を高めるのに役立ちます。また、Mokuの使用も試してみたいと考えています。 タイム&周波数アナライザ 時間的なイベントを同期します。
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