オーストラリア国立大学の重力天体物理学センターに所属する博士課程学生のアヴァニッシュ・クルル・ラマモハン氏は、重力波検出などに用いられる差分測定の精度を、相対周波数ノイズを低減することで向上させる研究に取り組んでいます。この研究は、特別な基準共振器を必要とせずに周波数ノイズを軽減する独自のアプローチを示すことで、計測学、重力波検出、量子通信における高度な研究に貢献しています。これらのシステムにおける主要な課題は、特に低フーリエ周波数におけるレーザー周波数ノイズの抑制です。この研究は、超安定な基準共振器や高度に特殊化されたレーザーシステムに頼ることなく、このノイズを軽減する新しいアプローチを示すことを目的としています。代わりに、研究チームは、類似のレーザーと差分読み出しを用いて相関のないノイズを抑制するコモンモードノイズキャンセリング方式を採用しています（図1）。 Moku:Pro そしてモク レーザーロックボックスAvanish は、より広範な高精度測定に統合できる実用的なノイズ抑制方法を実現し、センサー技術や基礎物理学実験における将来の飛躍的進歩への扉を開きます。
図1: XNUMXつのPLLによる光位相同期のセットアップの概略図（上、 紙から複製）と実験セットアップ（下）。オーストラリア国立大学の重力天体物理学センターからスピンアウトしたLiquid Instruments社のMokuデバイスは、最先端の研究に必要なカスタマイズ性を維持しながら、高精度で低ノイズの測定を可能にする理想的なシステムとして、研究チームに提供されています。Avanishは、Mokuに加えて、Laser Lock Boxを使用して4つの光位相ロックループを同時に安定化させ、レーザー周波数ノイズの抑制と広い周波数シフトダイナミックレンジを実現しました。 周波数応答アナライザ, 位相計、およびその他の機器を使用して、特性評価と制御を強化します。
課題
レーザー周波数ノイズ、特に 1 Hz 未満の周波数ノイズは、低フーリエ周波数測定では抑制するのが特に困難です。複数の独立したレーザーを使用するシステムでは、相関のない周波数変動が信号対雑音比を低下させ、測定精度をさらに低下させ、レーザー周波数安定化実験でよく見られる環境ノイズからの長期的な安定性と分離を維持することを困難にします。セットアップには、Mephisto 2000NE、Mephisto 500NE、Lightwave 126-1064-700 などのハイエンドレーザー、PID 制御を備えた複数のデジタルサーボシステム、およびループ内とループ外の両方の光検出器が含まれています。データ取得のために、チームは以前は制御ループ用の LIGO タイプのセットアップでよく使用される制御およびデータシステム (CDS) マシンを使用していました。しかし、この方法では最大データキャプチャが 120 kHz であり、高速および低速の PID 制御の両方をサポートするために追加のサーボシステムで補完する必要がありました。この構成は機能的には効果的でしたが、維持管理がますます困難になり、精密測定に必要なノイズ性能を達成することが難しくなっていました。複雑な位相ロック処理や低周波伝達関数測定を行う必要性から、研究室の既存の計測機器の限界が押し広げられました。実験が進むにつれて、より統合的で柔軟なシステムが必要であることが明らかになりました。「この実験でMokuを使って最終的に目指すのは、レーザーの位相ロックを実現することです。これは、すべての機器が稼働しているときに非常に重要なことです」とアバニッシュ氏は述べています。「この方法を使えば、読み出しに周波数ノイズは発生しません。」
ソリューション
これらの課題に対処するために Moku:Pro を使用することで、Avanish はセットアップ内の複数のツールを単一のデバイスに置き換えることができました。段階的な導入は、Moku:Lab を使用してノイズを特性評価することから始まり、その後、Moku:Pro を使用して完全なシステム統合に移行しました。「Moku のオプションを見て、『このデバイスはセンサーの読み取りを実現するために必要なすべてを実行できる』と思いました」と Avanish は述べています。「Moku:Pro を入手し、最終的に特性評価のすべてを Moku:Pro で行いました。とても便利でした。」Moku:Pro の柔軟性と低ノイズ性能により、Avanish は次の段階の実験、特に位相ロックを成功裏に実行しました。Moku:Pro を使用すると、Avanish は 1 つのデバイスでキーの分析、生成、および制御タスクを実行でき、デバイス内の FPGA を再構成してさまざまな機能を実行できます。たとえば、Avanish は周波数応答アナライザを使用して伝達関数測定 (図 2b) を行い、図 2a に示すループを特性評価し、フィードバック制御を検証しました。彼はMokuデータロガー、波形発生器、位相計を用いて騒音測定を行い、そのデータを記録した。
図2：（a）PLLのブロック図。ループ内ブロックの構成要素記述子、ループ内入力ノイズ点、誤差信号および制御信号の抽出点を示す。サーボはMoku PIDコントローラを指す。（b）Moku周波数応答アナライザで取得したループ構成要素ブロックのゲイン応答と開ループ伝達関数（OLTF）。論文より転載。実験の中核では、Moku:Proが使用する。 マルチインストゥルメントモードデバイス内のFPGAを部分的に再構成することで、4つの独立したLaser Lock Box機器を同時に導入し、それぞれが独自の光位相同期回路（OPLL）を動作させました。4つのLaser Lock Box機器を統合することで、チームはシステム全体の正確な位相制御を維持しながら、セットアップの複雑さを最小限に抑えることができました。
結果
Moku:Proを使用することで、Avanishは図3aに示す広いチューニング範囲にわたってループ安定性を維持しながら、安定した低ノイズ位相同期を実現しました。重要な実験結果の一つは、+/- 100MHzの範囲でチューニングしながら局部発振器の位相同期に成功したことです。図3bに示す周波数偏差では、同期が中断されることはありませんでした。
図3：PLLのインループおよびアウトオブループビートノートの周波数偏差測定。3(a)はMoku Phasemeterで測定し、3(b)のアウトオブループビートノートの周波数偏差の時系列測定はNI 5761で測定した。論文より転載。「これを手動で、あるいはアナログシステムで行う必要があったとしたら、特にMokuのノイズフロアが非常に低いため、局部発振器でこれほど多くの情報にアクセスできたとは思えません」とAvanish氏は述べた。「それが私がMokuを高く評価している重要な機能の1つです。」図4の画面に示されているように、マルチインストゥルメントモードのLaser Lock Boxを使用することで、Avanish氏はさまざまな固有の課題や性能上の課題を克服し、正確な位相ロックを実現することができました。しかも、他のソリューションよりもはるかに優れたノイズ性能と安定性を実現しています。この同じ技術を使用して、彼は パウンド・ドレバー・ホール・ロッキング Moku:Pro レーザー ロック ボックスを使用しており、今年後半には追加の結果が得られる予定です。
図4：ラック中央に2台のMoku:Labデバイスと1台のMoku:Proデバイスを含む様々な試験装置を備えたテストラック。上部の2つのiPad画面にはレーザーロックボックスの計測器が表示され、左下のiPad画面には周波数応答アナライザーのゲインと位相のプロットが表示されている。ロック設定におけるもう1つの重要な計測器はMokuである。 PIDコントローラー内蔵の二重積分器を使用することで、低周波数で高いゲインを実現した。「それが、今回の実験で周波数ノイズをこれほど高いレベルで抑制できた理由です」とアヴァニッシュ氏は語った。「これほどの周波数ノイズ性能を実現するために、低周波数でこれほどのゲインを引き出せるデバイスは他に知りません。まさに私が求めていたものです。他にそのようなことができるデバイスはありません。」
結論
アヴァニッシュ氏と彼のチームの研究は、精密測定における長年の技術的課題に取り組むだけでなく、重力センシング、計測、量子システムにおける将来の研究のための拡張可能なモデルも提供します。同チームによるMoku:Proの使用は、柔軟な計測機器と影響力の大きい物理学研究の強力な交わりを体現しており、今後さらに多くの論文が発表される予定です。特に、アヴァニッシュ氏と彼のチームは、ねじり振り子ダイヤル発振器（TorPeDO）の試運転を行っています。この実装とMoku:Proレーザーロックボックスを使用して4つのレーザーで同時にPound-Drever-Hallロックを実行することで、チームはニュートンノイズ、つまり重力勾配ノイズを直接測定し、測定用レーザーの周波数を制御してTorPeDO共振器長の変化に正確に追従させることができます（図5）。
図5：ToRPeDOセンサーの回路図。フィードバック制御、ローパスフィルタ（LPF）、ミキサー、PDH局部発振器はMoku:Proに内蔵されています。論文より転載。
Moku:Proは、この重力物理学研究室において不可欠なツールとなっており、単一の再構成可能なデバイス内で高性能な位相ロック、低周波ノイズ抑制、および統合システム制御を実現しています。アヴァニッシュ氏と彼のチームの実験の詳細については、論文全文をお読みください。 こちら.