[논문 리뷰] Chaotic micro-comb based parallel ranging

Anton Lukashchuk, Johann Riemensberger외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 19.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 케르 마이크로레지오나터에서 조건 불안정성에 의해 생성된 혼돈적인 마이크로콤보를 이용한 새로운 병렬 일관성 기반 라이다 시스템을 제시한다. 혼돈적인 콤 라인의 내재된 무작위 진폭 및 위상 변조를 활용하여, 외부 변조기나 복잡한 레이저 기동 절차 없이 간섭에 강인하고, 40개의 독립 채널에서 센티미터 수준의 해상도를 갖는 대량 병렬 거리 측정을 실현한다. 이는 높은 변환 효율성을 달성한다.

ABSTRACT

The transition to chaos is ubiquitous in nonlinear systems ranging from fluid dynamics and superconducting circuits to biological organisms. Optical systems driven out of equilibrium such as lasers and supercontinuum generation exhibit chaotic states of light with fluctuations of both amplitude and phase and can give rise to Levy statistics, turbulence, and rogue waves. Spatio-temporal chaos also occurs in continuous-wave driven photonic chip based Kerr micro-resonators, where it is referred to as chaotic modulation instability. Such modulation instability states have generally been considered impractical for applications, in contrast to their coherent light state counterparts, which include soliton or dark-pulse states. Here we demonstrate that incoherent and chaotic states of light in an optical microresonator can be harnessed to implement unambiguous and interference-immune massively parallel coherent laser ranging by using the intrinsic random amplitude and phase modulation of the chaotic comb lines. We utilize 40 distinct lines of a microresonator frequency comb operated in the modulation instability regime. Each line carries more than 1 GHz noise bandwidth, which greatly surpasses the cavity linewidth, and enables to retrieve the distance of objects with cm-scale resolution. Our approach utilizes one of the most widely accessible microcomb states, and offers -- in contrast to dissipative Kerr soliton states -- high conversion efficiency, as well as flat optical spectra, and alleviates the need for complex laser initiation routines. Moreover the approach generates wideband signal modulation without requiring any electro-optical modulator or microwave synthesizer. Viewed more broadly, similar optical systems capable of chaotic dynamics could be applied to random modulation optical ranging as well as spread spectrum communication and optical cryptography systems.

연구 동기 및 목표

• 실제 환경에서 상호 간섭과 환경 빛이 높은 상황에서도 내구성 있고 확장 가능하며 간섭에 강인한 병렬 라이다 시스템을 개발하기 위해.
• 이전에는 실용적이지 않다고 여겨졌던 혼돈적인 마이크로콤 상태의 내재된 무작위 진폭 및 위상 변조를 일관성 기반 거리 측정 응용에 활용하기 위해.
• 전기광학적 변조기나 마이크로파 합성기를 필요로 하지 않고, 단일 마이크로콤 소스를 사용해 고해상도, 대량 병렬 거리 및 속도 측정을 실현하기 위해.
• 더 접근하기 쉬우며 효율적인 혼돈 상태를 활용하여 솔리톤 기반 마이크로콤에 대한 실용적인 대안을 제시하기 위해. 이 상태는 평탄한 광스펙트럼과 높은 변환 효율을 갖는다.
• 웨이브폼 재구성 없이도 실시간에서의 신호 대 잡음비(SNR) 향상을 위해 통합 시간을 동적으로 조정할 수 있도록 하여 실시간 센싱에서의 적응성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 같은 모드 간격을 갖는 혼돈 마이크로콤(신호)과 솔리톤 마이크로콤(로컬 오실레이터)을 생성하는 두 개의 마이크로레지오나터를 단일 펌프 레이저로 자극한다.
• 분산 격자를 통해 공간 병렬화를 실현하여, 각 혼돈 콤 라인을 독립적인 RMCW(무작위 변조 연속파) 채널로 투사함으로써 병렬 거리 및 속도 측정을 수행한다.
• 균형 광다이오드 검출기에서 신호, 기준선 및 로컬 오실레이터 콩 라인의 혼합을 통해 이방향 검출을 실시하고, 시간 지연 추정을 위해 교차상관을 수행한다.
• 혼돈 상태의 조건 불안정성에서 발생하는 내재된 광대역 노이즈(라인당 1 GHz 이상)를 활용하여 외부 변조기를 사용하지 않고도 광대역 신호 변조를 실현한다.
• 일관성 기반 RMCW 검출에서 신호를 분리하고 해상도를 향상시키기 위해 디지털 고역통과 필터링(550 MHz 컷오프)을 적용한다. 이는 센티미터 수준의 거리 해상도를 가능하게 한다.
• 혼돈 콩 라인과 솔리톤 로컬 오실레이터 간의 비트 주파수 자가상관을 통해 거리 해상도를 유추하며, 전고도 반폭(FWHM)을 지표로 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 일般적으로 실용적이지 않다고 여겨지는 혼돈 마이크로콤 상태가 고해상도, 병렬 일관성 기반 라이다에 활용될 수 있는가?
• RQ2 혼돈 콩 라인의 내재된 무작위 변조가 기존 RMCW 시스템과 유사한 간섭에 강인하고 모호하지 않은 거리 측정을 얼마나 잘 실현할 수 있는가?
• RQ3 조기 불안정성 영역에서 펌프의 이격도와 케르 비선형성에 따라 개별 혼돈 콩 라인의 거리 해상도는 어떻게 변화하는가?
• RQ4 외부 변조기나 복잡한 레이저 기동 절차 없이도 고해상도를 유지하면서도 높은 변환 효율성과 평탄한 스펙트럼 응답을 확보할 수 있는가?
• RQ5 웨이브폼 재구성 없이도 측정 통합 시간을 실시간으로 동적으로 조정하여 신호 대 잡음비(SNR)를 최적화할 수 있는가?

주요 결과

• 혼돈 마이크로콤 기반 라이다 시스템은 40개의 독립 채널에서 센티미터 수준의 거리 해상도를 확보하였으며, 비트 주파수 자가상관 트레이스의 FWHM를 통해 거리 해상도를 추론하였다.
• 시스템은 측정 시간에 비례하여 신호 대 잡음비(SNR)가 선형적으로 증가함을 확인하였으며, 이는 일관성 평균화가 이루어지고 장시간 통합을 통해 탐지 성능 향상을 지원함을 의미한다.
• 혼돈 콩 라인은 라인당 1 GHz 이상의 노이즈 대역폭을 보였으며, 이는 캐비티 대역폭을 크게 초월하여 외부 변조 없이도 고해상도 거리 측정이 가능함을 의미한다.
• 이 방법은 높은 변환 효율성과 평탄한 광스펙트럼을 확보하였으며, 솔리톤 기반 마이크로콤과 달리 복잡한 레이저 기동 절차가 필요로 하지 않는다.
• 시스템은 실시간에서 통합 시간을 동적으로 조정함으로써 낮은 탐지 속도에서도 성능을 유지하였다. 이는 1–10 µs 픽셀 수집 시간에서의 영상 촬영을 통해 입증되었다.
• 수치적 및 실험적 결과는 펌프의 이격도가 조기 불안정성 임계점에 가까워질수록 거리 해상도가 향상됨을 확인하였으며, FWHM는 약 100 ps에서 약 30 ps로 감소하였다.