[논문 리뷰] Enhanced sensitivity operation of an optical gyroscope near an exceptional point

Yu-Hung Lai, Yu‐Kun Lu외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 24.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 68

한 줄 요약

저자들은 칩 기반 Brillouin 자이로스코프에서 두 번째 차수 특이점 근처에서 작동하여 회전 민감도를 향상시키는 것을 실험적으로 시연했으며, Sagnac 트랜스덕션을 4× 이상 증가시켰다.

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.

연구 동기 및 목표

• 온칩 자이로스코프에서 비-Hermitian 물리학과 특이점(EPs)을 연구하도록 동기를 부여한다.
• EP 근처에서 이중 역 펌핑된 Brillouin 레이저 시스템을 작동시켜 회전 민감도 향상을 실현한다.
• 정방향 및 역방향 진행 모드 간의 소멸적 결합(dissipative coupling)으로부터 발생하는 제2차 EP를 식별하고 특징화한다.
• Sagnac 트랜스덕션 계수 S를 정량화하고 이론적 예측과 비교한다.
• Kerr 시프트 및 잡음과 같은 EP 보조 센싱에 대한 실용적 고려사항을 평가한다.

제안 방법

• 고Q 실리카 쐐기형 마이크로공진기를 사용하여 이중 역 펌핑 자극 Brillouin 레이저(SBL) 자이로스콥을 구현한다.
• κ의 소멸적 결합과 Brillouin 이득 g_j를 포함하는 비-Hermitian 해밀토니안을 사용하여 CW/CCW 모드 상호작용을 모델링한다.
• EP 근처의 제곱근 의존성(Δω_p ≈ Δω_c)을 포함하여 고유주파수 ω_s± 및 SBL 박동 주파수 Δω_s를 도출한다.
• 펌프 Detuning Δω_p를 제어 변수로 도입하여 Stokes 모드를 이득 중심으로 당겨 EP의 위치를 찾는다.
• 이중-SBL 박동 스펙트럼과 Sagnac에 의해 유도된 이동을 측정하여 Sagnac 트랜스덕션 계수 S를 추출하고 이론(Eq. 6)과 비교한다.
• Kerr 유도 시프트를 다루고 EP 향상 트랜스덕션을 가리지 않도록 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로공진기 레이저 자이로스코프의 특이점이 회전 신호의 트랜스덕션을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 이 시스템에서 EP(제2차) 근처의 고유 모드 동작과 스펙트럴 분리의 특성은 어떤가?
• RQ3 Sagnac 회전 신호가 EP 근처의 이중-SBL 박동 주파수에 어떻게 영향을 미치며 정량적으로 예측할 수 있는가?
• RQ4 온칩 Brillouin 자이로스코프에서 EP 향상 센싱의 실용적 한계(잡음, Kerr 효과)는 무엇인가?
• RQ5 관측된 향상이 EP 근처의 예측된 제곱근 의존성을 따르고 실세계 조건에서 포화되는가?

주요 결과

• 실험은 EP 근처에서 회전 속도 트랜스덕션이 최대 약 4× 향상됨을 보여준다.
• CW 및 CCW SBL 모드 간의 소멸적 결합으로부터 발생하는 제2차 EP가 확인되었다.
• SBL 박동 주파수는 EP 근처에서 펌프 디튠 Δω_p의 제곱근 의존성을 따르며(Eq. 4), 측정값과 일치한다.
• Sagnac 트랜스덕션 계수 S는 모델과 일치하며 Δω_p/√(Δω_p^2−Δω_c^2)에 비례하는 근처 EP 향상을 보인다(Eq. 6).
• Kerr 유도 시프트는 작고 균형 펌핑 하에서 EP 향상 민감도에 크게 영향을 미치지 않는다.
• 열 및 펌프 요동은 EP에 근접할수록 주된 잡음원이나, 향상 경향은 여전히 분명하다.