[論文レビュー] Enhanced sensitivity operation of an optical gyroscope near an exceptional point

Yu-Hung Lai, Yu‐Kun Lu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2019

Advanced Fiber Laser Technologies被引用数 68

ひとこと要約

著者らは、二次の特殊点近傍で動作する chip-based Brillouin gyroscope において回転感度を向上させ、サグナック伝達の4倍超のブーストを達成した。

ABSTRACT

Exceptional points (EPs) are special spectral degeneracies of non-Hermitian Hamiltonians governing the dynamics of open systems. At the EP two or more eigenvalues and the corresponding eigenstates coalesce. Recently, it has been proposed that EPs can enhance the sensitivity of optical gyroscopes. Here we report measurement of rotation sensitivity boost by over 4X resulting from operation of a chip-based stimulated Brillouin gyroscope near an exceptional point. A second-order EP is identified in the gyroscope and originates from the dissipative coupling between the clockwise and counterclockwise lasing modes. The modes experience opposing Sagnac shifts under application of a rotation, but near the exceptional point new modal admixtures dramatically increase the Sagnac shift. Modeling confirms the measured enhancement. Besides the ability to operate an optical gyroscope with enhanced sensitivity, this result provides a new platform for study of non-Hermitian physics and nonlinear optics with precise control.

研究の動機と目的

• オンチップ・ジャイロスコープにおける非エルミート物理とエクストレートポイント（EPs）の研究動機付け。
• EP近傍でデュアルカウンター・ポンプされたBrillouinレーザー系を動作させて回転感度を高めることを実証。
• カウンター伝搬レーシングモード間の散逸結合に起因する二次のEPを特定・特徴づける。
• Sagnac伝達係数を定量化し、理論予測と比較する。
• Kerrシフトやノイズといった実用的要因をEP補助感知に対して評価する。

提案手法

• 高Qシリカウェッジマイクロ共振器を用いてデュアルカウンターポンプSBLジャイロスコープを実装。
• 非エルミートハミルトニアンを用いてCW/CCWモードの相互作用をモデル化し、散逸結合κとBrillouin利得g_jを含む。
• EP近傍での固有周波数ω_s±とSBLビート周波数Δω_sを導出し、平方根依存（Δω_p ≈ Δω_c）を含む。
• ポンプのデタuning Δω_p をコントロールとして導入し、利得中心へStokesモードを引っ張りEPを見つける。
• デュアル-SBLビートスペクトルとSagnac誘起のシフトを測定してSagnac伝達係数Sを抽出し、理論（式6）と比較。
• Kerr誘起のシフトに対処し、それがEP強調伝達をマスクしないようにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロ共振器レーザー・ジャイロスコープにおけるエクストラオーダEPは回転信号の伝達を高められるか？
• RQ2 このシステムにおけるEP（二次）付近の固有モード挙動とスペクトル分裂の性質はどうなるか？
• RQ3 EP近傍でSagnac回転信号はデュアル-SBLビート周波数をどのように修正し、定量的に予測できるか？
• RQ4 オンチップBrillouinジャイロスコープにおける現実的なEP強化感知の限界（ノイズ、Kerr効果）は？
• RQ5 観測されたブーストは予測される平方根依存に従い、現実世界条件下で飽和するか？

主な発見

• 実験はEP近傍で回転率伝送を最大約4×にブーストすることを示した。
• 二次のEPが同CWとCCW SBLモード間の散逸結合から生じることを特定。
• SBLビート周波数はEP近傍でポンプデタuningの平方根依存に従い（式4）、測定と一致。
• Sagnac伝達係数Sはモデルと一致し、EP近傍でΔω_p/√(Δω_p^2−Δω_c^2)に比例するブーストを示す（式6）。
• Kerr-inducedシフトは小さく、平衡ポンピング下でEP強調感度に大きな影響を与えない。
• 熱的・ポンプ揺らぎがEPに近づくと主なノイズ源となるが、ブースト傾向は依然として明確。