Optisches Phase-Tracking verbessert

  • 27. September 2012

Mit gequetschtem Licht lassen sich schwankende optische Phasen noch genauer verfolgen.

Sowohl in der optischen Kommunikation als auch bei Präzisionsmessungen von Abständen mit Licht müssen die Phasen der Lichtwellen möglichst genau bekannt sein. Doch die optischen Phasen sind normalerweise starken zufälligen Schwankungen unterworfen. Umso wichtiger ist es, die Änderungen der Phasen möglichst genau verfolgen zu können. Jetzt hat eine australisch-japanische Forschergruppe mit gequetschtem Laserlicht ein bisher unerreicht genaues Phase-Tracking erzielt.

Das verbesserte Phase-Tracking nutzt phasengequetschtes Licht und Rückkopplung

Abb.: Das verbesserte Phase-Tracking nutzt phasengequetschtes Licht und Rückkopplung. (Bild: A. Furusawa, U. Tokio)

Wissenschaftler um Howard Wiseman von der Griffith University in Brisbane und Akira Furusawa von der Universität von Tokio haben die zufällig schwankende Phase eines kontinuierlichen Lichtstrahls durch homodyne Detektion, als durch Vergleich mit einem überlagerten Oszillatorstrahl, in ihrer zeitlichen Entwicklung rekonstruiert. Das dabei benutzte Verfahren wies zwei Besonderheiten auf: Der kontinuierliche Lichtstrahl war phasengequetscht, und die Phase des Oszillatorstrahls wurde durch Rückkopplung in geeigneter Weise moduliert. Beides trug zur unerreicht hohen Genauigkeit des Phase-Trackings bei.

Beim phasengequetschten Licht ist die quantenmechanische Unschärfe der Phase kleiner als bei kohärentem Licht, allerdings auf Kosten der Amplitudenunschärfe. Eine monochromatische Lichtwelle in einen kohärenten Zustand kann man sich als kreisförmigen Fleck (mit der Fläche ħ) in der Quadraturebene veranschaulichen, der mit der Kreisfrequenz gegen den Uhrzeigersinn um den Ursprung der Ebene läuft. Amplitude und Phase weisen vergleichbare Unschärfen auf, die dem Durchmesser des Flecks entsprechen. Ist die Lichtwelle jedoch phasengequetscht, so hat der Fleck die Form einer Ellipse, die in Amplitudenrichtung gestreckt und in Phasenrichtung gestaucht ist. Die Phase der Welle wird dadurch stabiler, während ihre Amplitude stärker schwankt.

Die Phase eines kontinuierlichen, phasengequetschten Lichtstrahls haben die Forscher mit einem elektronisch erzeugten Signal moduliert, das zufällig schwankte und weißes Rauschen zeigte. Dieses Ursprungssignal sollte durch Phase-Tracking rekonstruiert werden. Da das Signal den Forschern bekannt war, konnten sie es mit dem rekonstruierten Signal vergleichen und auf diese Weise die Genauigkeit des Verfahrens prüfen.

Sie stellten gequetschtes Licht mit unterschiedlicher Phasenunschärfe durch nichtlineare optische Effekte her, indem sie einen Laserstrahl durch einen optisch-parametrischen Oszillator schickten. Anschließend lief der Strahl durch einen Phasenmodulator, der das Ursprungssignal auf die Phase schrieb. Zum Vergleich benutzten sie für das Phase-Tracking auch kohärentes, also nicht gequetschtes Licht.

Aus dem Ursprungssignal (a) wird das Homodynsignal (b) gewonnen, und aus diesem durch Filterung (c) und Glättung das rekonstruierte Signal (d)

Abb.: Aus dem Ursprungssignal (a) wird das Homodynsignal (b) gewonnen, und aus diesem durch Filterung (c) und Glättung das rekonstruierte Signal (d). (Bild: H. Yonezawa et al.)

Den phasenmodulierten Lichtstrahl überlagerten sie mit einem Referenzstrahl, der aus demselben Laser kam. Die resultierende Lichtwelle wurde anschließend detektiert. Aus dem Photostrom ergab sich ein stark verrauschtes Homodynsignal. Indem die Forscher das Homodynsignal geeignet filterten und mit dem sich daraus ergebenden Signal die Phase des Referenzstrahls modulierten, gewannen sie durch Rückkopplung ein verbessertes Homodynsignal. Daraus konnten sie ein gefiltertes Signal berechnen, das dem Ursprungssignal ähnelte. Allerdings wies es noch eine zeitliche Verzögerung von einigen Mikrosekunden auf. Wurde dieses Signal jedoch geglättet, so ergab sich ein rekonstruiertes Signal, das dem Ursprungssignal überraschend ähnlich war.

Wie die Messungen zeigten, war die Differenz zwischen dem Ursprungssignal und dem rekonstruierten Signal bei Verwendung von phasengequetschtem Licht um 15 ± 4 % kleiner als bei Benutzung von kohärentem Licht. Wurde die Phase immer stärker gequetscht, so nahm die Signaldifferenz zunächst erwartungsgemäß ab. Doch dann wurde sie wieder größer. Es gab also ein optimal phasengequetschtes Licht, dessen Phasenfluktuationen sich am besten rekonstruieren ließen. Allerdings setzt Heisenbergs Unschärfebeziehung der Genauigkeit der Phasenrekonstruktion eine unüberwindliche Grenze. Doch dieser Grenze ist das australisch-japanische Team mit seinem Verfahren näher gekommen, als es bisher beim Phase-Tracking möglich war. Außerdem lassen sich damit auch sehr starke Phasenänderungen verfolgen.

Das verbesserte Phase-Tracking mit gequetschtem Licht und Phasenrückkopplung könnte Anwendungen bei optoelektronischen oder nanomechanischen Bauelementen finden. Vielleicht lässt es sich auch für Gravitationswellendetektoren nutzen.

Rainer Scharf

OD

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