[논문 리뷰] Towards Ultrafast Gyroscopes Employing Real-time Intensity and Spectral Domain Measurements of Ultrashort Pulses

Maria Chernysheva, Srikanth Sugavanam외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 07.

Geophysics and Sensor Technology참고 문헌 49인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 이중방향 모드 잠금 섬유 레이저에서 반대 방향으로 전파되는 초단파 레이저 펄스의 실시간 시공간 및 스펙트럼 도메인 측정을 이용해 초고속 기립계를 제안한다. 고대역 검출 및 고급 신호 처리—특히 시공간 동역학과 분산 푸리에 변환—을 활용하여 기존 상용 시스템 대비 읽기 속도를 최대 두 계열 빠르게 구현하였으며, 회전 해상도는 125–384 μrad·s⁻¹이며 사라지지 않는 사각형 영역 효과가 관측되지 않았다.

ABSTRACT

Active ring laser gyroscopes (RLG) operating on the principle of the optical Sagnac effect are preferred instruments for a range of applications, such as inertial guidance systems, seismology, and geodesy, that require both high bias stability and high angular velocity resolutions. Operating at such accuracy levels demands special precautions like dithering or multi-mode operation to eliminate frequency lock-in or similar effects introduced due to synchronisation of counter-propagating channels. Recently proposed bidirectional ultrafast fibre lasers can circumvent the limitations of continuous wave RLGs. However, their performance is limited due to the nature of the highly-averaged interrogation of the Sagnac effect. In general, the performance of current optical gyroscopes relies on the available measurement methods used for extracting the signal. Here, by changing the paradigm of traditional measurement and applying spatio-temporal intensity processing, we demonstrate that the bidirectional ultrafast laser can be transformed to an ultrafast gyroscope with acquisition rates of the order of the laser repetition rate, making them at least two orders of magnitude faster than commercially deployed versions. We also show the proof-of-principle for dead-band-free round trip time-resolved spectral domain measurements using the Dispersive Fourier Transform, further enhancing the gyroscopic sensitivity. Our results reveal the high potential of application of novel methods of signal measurements in mid-sized ultrafast fibre laser gyroscopes to achieve performances that are currently available only with large-scale RLGs.

연구 동기 및 목표

• 느린 평균화된 사그나크 효과 측정 방식으로 인해 발생하는 기존 광기립계의 대역폭 및 사각형 영역 제한을 극복하기 위해.
• 이중방향 초고속 섬유 레이저에서 초단파 펄스의 실시간 고대역 측정이 더 빠르고 민감한 회전 센싱을 가능하게 함을 입증하기 위해.
• 초고속 레이저 동역학의 본질적 안정성과 고급 신호 처리를 통해 활성 안정화나 딜리팅이 필요 없도록 하기 위해.
• 대규모 인프라 없이도 소형, 전섬유 구조로 초고속 기립계의 실현 가능성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 이중방향 모드 잠금 섬유 레이저를 사용하여 반대 방향으로 전파되는 초단파 솔리톤 펄스를 생성하여 사그나크 효과 측정을 수행한다.
• 실시간 시공간 동역학 영상 기반 측정을 통해 라운드트립 시간 해상도로 펄스 이격을 해석함으로써, 회전으로 인한 시간적 이격을 직접 관찰할 수 있도록 한다.
• 분산 푸리에 변환(DFT)을 적용하여 시간 해상도 스펙트럼 분석을 수행함으로써, 캐리어-엔벨롭 오프셋 노이즈 억제 및 민감도 향상을 달성한다.
• 강도 및 스펙트럼 도메인에서의 RF 비트노트 분석을 통해 반대 방향 펄스 간의 상위 이동을 측정한다.
• 고대역 검출기 및 실시간 옛스코프를 사용하여 레이저의 기본 주파수까지의 반복 주기에서 펄스 역학을 캡처한다.
• 활성 안정화나 열적 격리 없이 초고속 레이저의 본질적 안정성(진동 < 0.8 ps)과 짧은 통합 시간에 의존한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 반대 방향으로 전파되는 초단파 펄스의 실시간 시공간 동역학 측정이 기존 평균화 방법보다 더 빠르고 민감한 회전 센싱을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 분산 푸리에 변환을 통해 초고속 섬유 레이저에서 사그나크 효과의 사각형 영역 없는 고해상도 스펙트럼 측정이 가능할 수 있는가?
• RQ3 소형, 전섬유 초고속 레이저 구조는 활성 안정화 없이도 대규모 루프 레이저 기립계와 비교해 성능을 유사하게 달성할 수 있는가?
• RQ4 장거리 캐비티에서 펄스 상호작용 동역학이 선형 사그나크 행동에서 어떻게 벗어나며, 이를 모델링할 수 있는가?

주요 결과

• 시공간 동역학 접근법은 10,000회의 라운드트립 동안 384 μrad·s⁻¹의 회전 해상도를 달성하였으며, 상용 시스템 대비 읽기 속도가 두 계열 빠른 것으로 나타났다.
• DFT 기반 스펙트럼 방법은 5,000회의 라운드트립 동안 125 μrad·s⁻¹의 회전 해상도를 달성하였으며, 활성 안정화 없이도 높은 민감도를 보였다.
• 측정 범위 전체에서 사각형 영역 효과가 관측되지 않아 주파수 잠금 현상에 대한 강건성을 입증하였다.
• 활성 안정화 또는 열적 격리 없이도 시스템이 정상적으로 작동하였으며, 초고속 레이저의 본질적 안정성과 측정 기법의 내구성에 기여하였다.
• 라운드트립 횟수 증가 또는 더 큰 캐비티 스케일 적용을 통해 성능을 한 계열 이상 향상시킬 수 있음을 시사하였다.
• 장거리 캐비티에서 선형 사그나크 행동에서의 편차는 복잡한 국소적이지 않은 펄스 상호작용을 나타내며, 향후 모델링이 필요하다.