[論文レビュー] Resonant Very Low- and Ultra Low Frequency Digital Signal Reception Using a Portable Atomic Magnetometer

Stuart J. Ingleby, Iain C. Chalmers+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2020

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、133Cs蒸気を光学励起することで、非常に低い（VLF）および超低周波数（ULF）（200 Hz–200 kHz）でデジタル信号の共振検出および復調が可能な、ポータブルで自己キャリブレーション可能な原子磁力計を提案する。受信電力が-40 dBmにまで低下しても誤 bit 確率が10%未満に抑えられ、数キロメートルの範囲で海底通信が可能であることを示している。

ABSTRACT

Radio communication through attenuating media necessitates the use of very-low frequency (VLF) and ultra-low frequency (ULF) carrier bands, which are frequently used in underwater and under-ground communication applications. Quantum sensing techniques can be used to circumvent hard constraints on the size, weight and noise floor of classical signal transducers. In this low-frequency range, an optically pumped atomic sample can be used to detect carrier wave modulation resonant with ground-state Zeeman splitting of alkali atoms. Using a compact, self-calibrating system we demonstrate a resonant atomic transducer for digital data encoded using binary phase- and frequency-keying of resonant carrier waves in the 200 Hz -200 kHz range. We present field trial data showing sensor noise floor, decoded data and received bit error rate, and calculate the projected range of sub-sea communication using this device.

研究の動機と目的

• 導電性環境（海水など）における VLF および ULF デジタル信号の共振検出を目的とした、コンact で現場に設置可能な原子磁力計の開発。
• 古典的インダクティブアンテナの限界（大型化、1/f 音響ノイズの高さ）を、原子スピンの進動を利用した量子センシングによって克服すること。
• 実地環境における、校正済み信号受信を伴う、共振原子トランスダーサーの実用的でポータブルな運用を実証すること。
• 実地の現場条件下で、広帯域（200 Hz–200 kHz）における誤 bit 確率（BER）性能を評価すること。
• 測定された信号対ノイズ比および減衰特性に基づき、海底応用における理論的通信距離を推定すること。

提案手法

• 小型で自己キャリブレーション可能なシステムは、熱的に安定化された垂直キャビティ表面発光レーザー（VCSEL）を用い、480 torr のN2バッファガスを有する133Cs蒸気セルを光学励起・プローブする。
• 原子スピンの進動は、プローブレーザーの磁気光学的回転を介して検出され、信号は偏光計およびトランスインピーダンスアンプを用いて測定される。
• 3軸磁場コイルが地球磁場を補償し、200 Hz–200 kHz の周波数範囲でチューナブルなラーモア周波数の共振を実現する。
• デジタルデータは、133Cs 基底状態のゼーマン分裂に一致する共振キャリア波に、バイナリ位相シフトキーイング（BPSK）および周波数シフトキーイング（FSK）を用いて符号化される。
• 133Cs D1遷移の飽和を用いて信号振幅を校正することで、SIトレーサブルな電力測定が可能になる。
• 信号対ノイズ比を最大化し、バックグラウンドノイズを抑制するために、ホモダイン検出および非線形磁気光学的回転が用いられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実地の現場条適合で、ポータブルで自己キャリブレーション可能な原子磁力計が VLF および ULF バンドのデジタル信号の共振検出を達成できるか？
• RQ2 受信信号電力が-100 dBmにまで低下しても、200 Hz–200 kHz の周波数範囲で BPSK および FSK モodulation の実現可能な誤 bit 確率（BER）はどの程度か？
• RQ3 実際の非ラボ環境下で、センサのノイズフロア（5 pT·Hz⁻¹/²）は、古典的インダクティブセンサと比較してどの程度か？
• RQ4 共鳴から外れた干渉や非ガウス分布のノイズ源が、異なるキャリア周波数で BER 性能にどの程度悪影響を及えるか？
• RQ5 測定された信号減衰およびセンサ感度に基づき、海底通信応用における理論的通信距離はどの程度推定されるか？

主な発見

• 非ラボ環境の実地試験において、センサのノイズフロアは 5 pT·Hz⁻¹/² を達成し、ポータブル運用の可能性を示した。
• 200 Hz–200 kHz の周波数範囲で、受信キャリア電力が-40 dBm以下に低下しても、誤 bit 確率は10%未満に低下した。
• 周波数変化とは強く相関しないが、周波数帯域全体で BER 性能の顕著なばらつきが観察され、非白色または高調波干渉が支配的である可能性を示唆した。
• 1 kbit/s のシンボルレートで一貫した余剰 BER が観測されたが、これは原子の緩和率 Γ によって制限されるセンサ帯域幅によるスペクトルクリッピングに起因するとされた。
• 加法性白色ガウスノイズ（AWGN）下での理論的 BER 曲線と測定データを比較したところ、低電力域で乖離が認められた。
• 海水の減衰および測定された感度に基づき、海底送信における通信距離を推定した。10 W の送信出力で数キロメートルのリンクが可能であると示唆された。