[論文レビュー] Ultrahigh Precision Absolute and Relative Rotation Sensing using Fast and Slow Light

M. S. Shahriar, G. S. Pati+4 more|ArXiv.org|May 25, 2005

Quantum optics and atomic interactions参考文献 13被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、共振器内の異常分散を活用して超光速（速い）光を用いて、10⁶倍までの感度向上を達成する超高感度絶対回転測定を実現する新しい光ジャイロスコープを提案する。これは群速度分散に起因する群速度指数の逆数によって実現される。さらに、Sagnac干渉計における遅い光を用いた相対回転測定においても、遅れ要因に比例する感度向上を示し、アクティブなキャビティ安定化によって線幅拡大を補償することで、感度の維持を可能にする。

ABSTRACT

We describe a resonator based optical gyroscope whose sensitivity for measuring absolute rotation is enhanced via use of the anomalous dispersion characteristic of superluminal light propagation. The enhancement is given by the inverse of the group index, saturating to a bound determined by the group velocity dispersion. We also show how the offsetting effect of the concomitant broadening of the resonator linewidth may be circumvented by using an active cavity. For realistic conditions, the enhancement factor is as high as 106. We also show how normal dispersion used for slow light can enhance relative rotation sensing in a specially designed Sagnac interferometer, with the enhancement given by the slowing factor

研究の動機と目的

• 光共振器における速い光の異常分散特性を活用して、超高感度の絶対回転測定を実現すること。
• 群速度分散に起因する感度向上と共振器線幅拡大のトレードオフを克服すること。
• Sagnac干渉計構成における遅い光を用いて、相対回転測定に応用を拡大すること。
• アクティブなキャビティフィードバックが、線幅拡大に起因する悪影響を緩和し、感度向上を維持できるかを実証すること。
• 群速度指数および分散制約を含む現実的な物理的条件下での、最大達成可能な感度向上の上限を定量化すること。

提案手法

• 異常分散を示す物質を有する共振器を用い、超光速群速度（速い光）を実現することで、絶対回転測定を実現する。
• 回転によって誘発されるSagnac位相シフトの感度向上要因として、群速度指数の逆数（1/ng）を用いる。
• 異常分散および群速度分散に起因する線幅拡大を補償するため、アクティブなキャビティフィードバック機構を導入する。
• 遅い光を有する特別に設計されたSagnac干渉計を用い、相対回転測定の感度を向上させ、その増幅要因は群速度指数の逆数（1/ng）に等しい。
• 有限の群速度分散および材料損失を含む現実的条件下でシステムを分析し、感度向上の上限を特定する。
• 媒質の群速度指数および分散特性によって変調される、Sagnac構成における回転に起因する位相シフトを用いて、感度向上を理論的に導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 異常分散を示す共振器における速い光を用いた絶対回転測定で、最大どの程度の感度向上が達成可能か？
• RQ2 群速度分散が感度向上に及ぼす制限は何か？ また、現実的条件下でその上限に到達できるか？
• RQ3 異常分散に起因する線幅拡大は、効果的に補償可能か？
• RQ4 アクティブなキャビティフィードバックは、分散に起因する線幅拡大に対しても、高Qファクターを維持する上で果たす役割は何か？
• RQ5 Sagnac干渉計における遅い光を用いた相対回転測定の感度向上はどのように実現可能か？ また、その増幅要因は遅れ要因にどのように比例するか？

主な発見

• 絶対回転測定における感度向上は、群速度指数の逆数（1/ng）に比例し、群速度分散に起因する上限に到達する。
• 現実的条件下では、最大で10⁶倍の感度向上が達成可能であり、これは媒質の物理的制約および分散特性に起因する。
• 異常分散に起因する線幅拡大は、アクティブなキャビティ安定化により効果的に抑制され、高Qファクターおよび感度の維持が可能となる。
• 相対回転測定においては、増幅要因が遅れ要因（1/ng）に比例し、高精度な差分測定が可能となる。
• 理論的枠組みにより、速い光を用いた絶対回転測定および遅い光を用いた相対回転測定の両方が、超高感度を達成可能であり、SN比の向上が明確に示される。
• 制御された分散および群速度条件下でのSagnac干渉計における位相シフトの分析を通じて、提案手法の実現可能性が確認された。