[論文レビュー] Towards Ultrafast Gyroscopes Employing Real-time Intensity and Spectral Domain Measurements of Ultrashort Pulses

Maria Chernysheva, Srikanth Sugavanam+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 7, 2019

Geophysics and Sensor Technology参考文献 49被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、双方向モードロック光ファイバー lasers における反対方向に伝播する超短パルスのリアルタイム空間的・時間的およびスペクトル的領域測定を用いた、新規の超高速ジャイロスコープを提案する。高帯域検出および高度な信号処理（特に空間的・時間的ダイナミクスおよび分散的フォーリエ変換）を活用することで、商業用システムと比較して2桁速いジャイロスコープ読み出し速度を達成し、回転分解能は125–384 μrad·s⁻¹で、観測されたデッドバンド効果は一切ない。

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.

研究の動機と目的

• 遅い平均化によるサニャック効果の測定が原因で生じる帯域制限およびデッドバンドの制限を克服すること。
• 双方向超高速ファイバー・レーザー内での超短パルスのリアルタイム・高帯域測定が、はるかに高速かつ感度の高い回転センシングを可能にすることを実証すること。
• アクティブな安定化やジタリングの必要性を排除するため、本質的に安定した超高速レーザー・ダイナミクスと高度な信号処理を用いること。
• 大規模なインfra構造が不要なコンact, すべてファイバー構成の超高速レーザー構成による超高速ジャイロスコープの実現可能性を検証すること。

提案手法

• 双方向モードロック光ファイバー・レーザーを用いて、サニャック効果の測定に適した反対方向に伝播する超短ソリトンパルスを生成する。
• リアルタイム空間的・時間的ダイナミクス画像化を用いて、1往復時間分解能でパルスのドリフトを解像し、回転に起因する時間的ドリフトを直接観測可能にする。
• 分散的フォーリエ変換（DFT）を適用して時間分解能のあるスペクトル解析を実現し、キャリア・エンveロープオフセットノイズの抑制と感度の向上を可能にする。
• 強度領域およびスペクトル領域におけるRFビートノート解析を用いて、反対方向パルス間の位相差の差分を測定する。
• 高帯域検出器およびリアルタイムオシロスコープを用いて、レーザーの基本周波数に達するまでの繰り返しレートでパルスダイナミクスを捉える。
• アクティブな安定化や熱的遮断を回避し、超高速レーザーの本質的安定性（ジッタ < 0.8 ps）および短い統合時間に依存する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 反対方向に伝播する超短パルスのリアルタイム空間的・時間的ダイナミクスが、従来の平均化手法と比較して、より高速かつ感度の高い回転センシングを可能にするか？
• RQ2 分散的フォーリエ変換が、超高速ファイバー・レーザー内でのサニャック効果に対して、デッドバンドなしで高分解能のスペクトル測定を可能にするか？
• RQ3 コンパクトですべてファイバー構成の超高速レーザー構成が、アクティブな安定化なしに大規模なリングレーザー・ジャイロスコープと同等の性能を達成できるか、その程度はいかほどか？
• RQ4 長めのキャビティ内での回転するキャビティにおけるパルス相互作用ダイナミクスは、線形サニャック挙動からどの程度ずれるか。また、その挙動をモデル化できるか？

主な発見

• 空間的・時間的ダイナミクス手法により、10,000往復の間に384 μrad·s⁻¹の回転分解能を達成し、商業用システムと比較して読み出し速度が2桁速くなった。
• DFTに基づくスペクトル手法により、5,000往復の間に125 μrad·s⁻¹の回転分解能を達成し、アクティブな安定化を要せず高い感度を示した。
• 全テスト範囲の回転速度においてデッドバンド効果は観測されず、周波数ロックインに対して高い耐性を示した。
• アクティブな安定化や熱的遮断を一切行わず、超高速レーザーの本質的安定性および測定手法のレジリエンスを強調した。
• より多くの往復回数またはより大きなキャビティスケールを用いることで、性能を1桁以上向上できる可能性が示唆された。
• より長いキャビティでは線形サニャック挙動からの逸脱が観測され、将来的なモデル化を要する複雑な非局所的パルス相互作用が示唆された。