광학 헤테로디네 검출

Optical heterodyne detection

광학 헤테로디네 검출은 가시광선이나 적외선의 파장 대역에서 위상, 주파수 또는 양쪽 모두 전자기 방사선의 변조로서 암호화된 정보를 추출하는 방법이다. 광신호는 "로컬 오실레이터"(LO)의 표준 또는 기준 빛과 비교되며, "로컬 오실레이터"는 신호로부터 주파수 및 위상에 고정된 오프셋을 가진다. "Heterodyne"는 호모디네 검출에 사용되는 단일 주파수와 대조적으로 두 개 이상의 주파수를 의미한다.[1]

두 개의 빛 신호의 비교는 일반적으로 에너지에서 선형인 반응과 전자기장의 진폭에서 2차적인 반응을 갖는 광다이오드 검출기에 결합하여 이루어진다. 일반적으로 두 개의 광 주파수는 검출기에 의해 생성되는 차이 또는 박동 주파수가 전자적 방법으로 편리하게 처리할 수 있는 라디오나 마이크로파 대역에 있을 정도로 충분히 유사하다.

이 기술은 1990년대 합성 배열 헤테로디네 검출의 발명으로 지형 및 속도 민감 영상에 널리 적용 가능하게 되었다.[2] 표적 장면에서 반사되는 빛은 하나의 큰 물리적 픽셀로 구성된 비교적 저렴한 광검출기에 집중되며, 다른 LO 주파수 또한 이 검출기의 각 가상 픽셀에 집중되어 전자파가 될 수 있는 박동 주파수의 혼합물을 운반하는 검출기의 전기 신호가 발생한다.그 장면의 이미지를 나타내기 위해 공간적으로 격리되고 분산되었다.[2]

역사

광학 헤테로디네 검출은 적어도 첫 레이저를 만든 지 2년 안 되는 1962년부터 연구되기 시작했다.[3]

기존 무선 주파수(RF) 헤테로디네인 검출과 대비

광 대역 검출의 실용적 측면을 무선 주파수(RF) 대역 헤테로디네 검출과 대조하는 것이 유익하다.

에너지 대 전기장 검출

RF대역 검출과 달리 광 주파수는 너무 빠르게 진동해 전자장을 직접 측정하고 가공할 수 없다. 대신 광학 광자는 광자의 에너지를 흡수하여 (보통) 검출되며, 따라서 전기장 단계를 따르지 않고 규모만 드러낸다. 따라서 헤테로디네 혼합의 주요 목적은 신호를 광학 대역에서 전자 추적 가능한 주파수 범위로 하향 이동시키는 것이다.

RF 대역 검출에서, 일반적으로 전자기장은 안테나에서 전자의 진동 운동을 구동한다. 캡처된 전자파 F는 2차 용어(가장 일반적으로 정류기)를 가진 편리한 비선형 회로 요소에 의해 국소 발진기(LO)와 전자적으로 혼합된다. 광학 검출에서 원하는 비선형성은 광자 흡수 과정 자체에 내재되어 있다. 기존의 "제곱법 검출기(Square-law detector)"라고 불리는 광자 에너지는 자유 결합 전자에 반응하며, 에너지 플럭스는 전기장의 제곱으로 확장되기 때문에 전자가 해방되는 속도도 이에 해당한다. 차이 주파수는 LO와 신호가 동시에 검출기를 비추는 경우에만 검출기 출력 전류에 나타나며, 자유 전자가 생성되는 평균 속도를 변조하는 교차 용어 또는 "차이" 주파수를 조합한 것이다.

일관성 있는 탐지를 위한 광대역 로컬 오실레이터

또 다른 대비점은 신호와 로컬 오실레이터의 예상 대역폭이다. 일반적으로 RF 로컬 오실레이터는 순수한 주파수로서 실용적으로 "순도"는 로컬 오실레이터의 주파수 대역폭이 차이 주파수보다 훨씬 적다는 것을 의미한다. 광신호를 사용하는 경우, 레이저를 사용하더라도, 일반적인 메가헤르츠 또는 킬로헤르츠 스케일 차이 주파수보다 작은 순간 대역폭 또는 장기 시간 안정성을 가질 수 있을 만큼 충분히 순수한 기준 주파수를 생성하는 것은 간단하지 않다. 이 때문에 LO와 신호는 중심 주파수가 맴돌더라도 차이 주파수가 일정하게 유지될 수 있도록 동일한 소스를 사용하는 경우가 많다.

그 결과, RF 헤테로디네 검출에 대해 설명하기 위해 통상적으로 호출되는 두 가지 순수한 톤의 합을 제곱하는 수학은 광학 헤테로디네 검출의 지나치게 단순화된 모델이다. 그럼에도 불구하고, 직관적인 순주파수 헤테로디네 개념은 신호와 LO가 상호 일관성이 있다는 전제하에 광대역 케이스에 대해 여전히 완벽하게 유지된다. 결정적으로 일관성 있는 광대역 소스로부터 협대역 간섭을 얻을 수 있다. 이것이 백색광 간섭계 및 광학 일관성 단층촬영의 기초가 된다. 상호 일관성은 뉴턴의 고리에 무지개를, 초수 무지개를 허용한다.

따라서 광학 헤테로디엔 검출은 일반적으로 무선에서처럼 원격 수신기로 송신하는 송신기가 아니라 LO와 신호가 공통의 원점을 공유하는 간섭측정법으로 수행된다. 원격 수신기 지오메트리는 독립적 발신지 신호와 일관성이 있는 국소 오실레이터 신호를 생성하는 것이 광학 주파수에서 기술적으로 어렵기 때문에 흔하지 않다. 그러나 신호와 LO가 서로 다른 레이저에서 발생할 수 있도록 충분히 좁은 선폭을 가진 레이저가 존재한다.[4]

광자 계수

광학 헤테로디가 확립된 기법이 된 후, "특성 시간 간격에서 광자의 일부 또는 일부만 수신기로 들어갈"[5] 정도로 낮은 신호등 수준에서 작동하기 위한 개념적 근거를 고려했다. 서로 다른 에너지의 광자가 서로 다른 (랜덤) 시간에 검출기에 의해 계수 가능한 속도로 흡수되더라도 검출기는 여전히 차이 주파수를 생성할 수 있다는 결론을 내렸다. 따라서 빛은 우주를 통해 전파될 뿐만 아니라 물질과 상호작용을 할 때도 파동 같은 성질을 가지고 있는 것 같다.[6] 광자 계수 진행은 2008년까지 더 큰 신호 강도를 사용할 수 있더라도 광자 계수에 의한 비트 신호를 검출할 수 있을 만큼 충분히 낮은 국소 오실레이터 전력을 사용하는 것이 유리할 수 있다고 제안되었다. 이는 이용 가능하고 빠르게 발전하는 대형형 다중 픽셀 계수 광검출기로 영상촬영의 주된 장점을 가지고 있는 것으로 이해되었다.[7]

광자 계수에는 주파수 변조 연속파(FMCW) 레이저가 적용됐다. 수치 알고리즘은 광자계수 데이터 분석의 통계적 성능을 최적화하기 위해 개발되었다.[8][9][10]

주요 이점

탐지 이득

하향 혼합 차이 주파수의 진폭은 원래 신호 자체의 진폭보다 클 수 있다. 차이 주파수 신호는 LO와 신호 전기장의 진폭 산물에 비례한다. 따라서 LO 진폭이 클수록 차이 주파수 진폭도 커진다. 따라서 광자 변환 과정 자체에 이득이 있다.

처음 두 항은 흡수된 평균(DC) 에너지 플럭스(또는 동등하게 광자계수의 경우 평균 전류)에 비례한다. 세 번째 항은 시간 변화로 합과 차이 빈도를 생성한다. 광학 시스템에서는 총 주파수가 너무 높아 후속 전자장치를 통과하지 못할 것이다. In many applications the signal is weaker than the LO, thus it can be seen that gain occurs because the energy flux in the difference frequency is greater than the DC energy flux of the signal by itself .

광상 보존

그 자체로, 신호 빔의 에너지 플럭스 i 는DC이므로 광 주파수와 관련된 위상이 지워진다. 헤테로디네 검출은 이 위상을 검출할 수 있다. 신호빔의 광학적 위상이 각도 phi로 이동하면 전자차 주파수 위상은 정확히 동일한 각도 phi로 이동한다. 좀 더 적절하게, 광학적 위상 변화를 논의하기 위해서는 공통적인 타임베이스 기준이 필요하다. 일반적으로 신호 빔은 LO와 동일한 레이저에서 파생되지만 주파수의 일부 모듈레이터에 의해 이동된다. 다른 경우에는 움직이는 물체의 반사에서 주파수 이동이 발생할 수 있다. 변조 소스가 LO와 신호 소스 사이에 일정한 오프셋 위상을 유지하는 한, 회신 신호의 외부 수정에서 발생하는 시간에 따른 추가 광상 위상 변화는 차이 주파수의 위상에 추가되므로 측정할 수 있다.

광 주파수를 전자 주파수에 매핑하여 민감한 측정을 허용

위에서 언급한 바와 같이, 차이 주파수 선폭은 신호와 LO 신호의 광학 선폭보다 훨씬 작을 수 있다. 단, 두 선폭이 상호 일관성이 있다면 말이다. 따라서 광신호 중심 주파수의 작은 이동을 측정할 수 있다. 예를 들어, 도플러 라이다 시스템은 광 주파수의 10억 도플러 이동의 일부보다 적은 초당 1m 이상의 해상도로 풍속을 구별할 수 있다. 마찬가지로 명목상 일관성이 없는 광대역 조명에 대해서도 작은 일관성 있는 위상 변화를 측정할 수 있어 영상 마이크로미터 크기의 특징에 대한 광학 일관성 단층 촬영이 가능하다. 이 때문에 전자 필터는 조명 자체에서 작동하는 어떤 실현 가능한 파장 필터보다 좁은 유효 광 주파수 대역 패스를 정의할 수 있어 백그라운드 라이트 거부 및 약한 신호 탐지가 가능하다.

사격 소음 한계까지 소음 감소

작은 신호 증폭과 마찬가지로 신호 처리보다 앞서 게인을 이동하면 저항기 존슨-나이키스트 노이즈 또는 활성 회로의 전기 노이즈와 같은 효과의 부가적 기여도가 감소한다는 점에서 신호 가로채기의 초기 지점에 최대한 가깝게 게인을 얻는 것이 가장 바람직하다. 광학 헤테로디네인 검출에서 혼합게인은 초기 광자 흡수 이벤트의 물리학에서 직접 발생하므로 이를 이상적으로 만든다. 또한, 첫 번째 근사치에서는 다이오드 비선형성에 의한 RF 검출과는 대조적으로 흡수가 완벽하게 이차적이다.

헤테로디네 검출의 장점 중 하나는 신호나 LO 신호를 생성하는 과정에서 방사되는 잠재적 소음으로부터 차이 주파수가 일반적으로 멀리 떨어져 있기 때문에 차이 주파수 근처의 스펙트럼 영역이 비교적 조용할 수 있다는 것이다. 따라서 차이 주파수에 가까운 좁은 전자 필터링은 나머지, 일반적으로 광대역통신 소음원을 제거하는 데 매우 효과적이다.

1차적으로 남아 있는 소음원은 명목상 상수 DC 수준의 광자 사격 소음이며, 일반적으로 국소 오실레이터(LO)가 이를 지배한다. 숏 노이즈가 LO 전기장 레벨의 진폭으로 스케일링되고 헤테로디네 게인 또한 동일한 방식으로 스케일링되기 때문에 숏 노이즈 대 혼합 신호의 비율은 LO가 아무리 커도 일정하다.

따라서 실제로 신호의 이득이 다른 모든 첨가 소음원보다 증가하여 샷 노이즈만 남길 때까지 LO 수준을 증가시킨다. 이 한계에서 신호 대 잡음 비율은 신호의 숏 노이즈에 의해서만 영향을 받는다(즉, 강력한 LO로부터의 노이즈 기여는 비에서 분리되었기 때문에 없다). 이때 이득이 더 높아짐에 따라 신호는 소음으로 바뀌지 않는다. (물론 이는 매우 이상화된 설명이며, 실제 검출기와 불순 LO의 LO 강도에 대한 실질적인 한계는 차이 주파수에 약간의 소음을 전달할 수 있다.)

주요 문제 및 해결 방법

어레이 탐지 및 이미징

빛의 배열 검출, 즉 다수의 독립 검출기 픽셀에서 빛을 검출하는 것은 디지털 카메라 이미지 센서에서 흔히 볼 수 있다. 그러나 관심 신호가 진동(회로와 유사하게 AC라고도 함)하기 때문에 종종 초당 수백만 사이클 이상에서 헤테로디엔 검출이 상당히 어려운 경향이 있다. 훨씬 느린 이미지 센서의 일반적인 프레임 속도에서 각 픽셀은 많은 진동 사이클에서 수신된 총 빛을 통합하며, 이 시간 통합은 관심 신호를 파괴할 것이다. 따라서 헤테로디네 어레이는 일반적으로 모든 센서 픽셀에서 별도의 전기 증폭기, 필터 및 처리 시스템에 평행한 직접 연결을 가져야 한다. 이것은 거대하고 일반적인 목적의 헤테로디네 영상 시스템을 엄청나게 비싸게 만든다. 예를 들어 100만 리드를 메가픽셀의 일관성 있는 배열로 연결하는 것만으로는 벅찬 도전이다.

이 문제를 해결하기 위해 합성 어레이 헤테로디네 검출(SAHD)이 개발되었다.[2] SAHD에서 대형 영상 배열을 단일 판독 리드, 단일 전기 필터, 단일 기록 시스템으로 단일 요소 검출기에서 가상 픽셀로 멀티플렉싱할 수 있다.[11] 이 접근방식의 시간 영역 결합은 푸리에 변환 헤테로디네 검출이며,[12] 멀티플렉스 이점도 가지고 있으며 단일 요소 검출기가 이미징 배열처럼 작용할 수도 있다. SAHD는 단일 주파수 LO 대신 좁게 간격을 둔 많은 주파수가 무지개처럼 검출기 요소 표면에 퍼져 있는 레인보우 헤테로디네 검출로[13][14] 구현됐다. 각 광자가 도착한 물리적 위치는 결과 차이 주파수 자체로 암호화되어 단일 요소 검출기에 가상 1D 배열을 만든다. 주파수 빗이 고르게 간격을 두고 있다면, 편리하게도 출력 파형의 푸리에 변환은 영상 그 자체다. 2D로 된 어레이도 만들 수 있고, 어레이가 가상이기 때문에 픽셀 수, 크기, 개별 이득 등을 동적으로 조정할 수 있다. 멀티플렉스 단점은 물리적으로 분리되지 않기 때문에 모든 픽셀의 샷 노이즈가 결합된다는 점이다.

스펙과 다양성 수신

논의된 바와 같이, LO와 신호는 일시적으로 일관성이 있어야 한다. 또한 검출기의 얼굴 전체에 걸쳐 공간적으로 일관성이 있어야 하며 그렇지 않으면 파괴적으로 간섭할 수 있다. 많은 사용 시나리오에서 신호는 광학적으로 거친 표면에서 반사되거나 광학적으로 난류성 매체를 통과하여 공간적으로 일관성이 없는 파동성으로 이어진다. 레이저 산란에서는 이것을 반점이라고 한다.[15]

RF 검출에서 안테나는 거의 파장보다 크지 않기 때문에 모든 흥분된 전자가 안테나 내에서 일관성 있게 움직이는 반면, 광학에서는 검출기가 보통 파장보다 훨씬 커서 왜곡된 위상 전면을 가로챌 수 있어 검출기 내에서 위상 밖의 광 생성 전자에 의해 파괴적인 간섭을 일으킬 수 있다.

파괴적 간섭은 신호 레벨을 극적으로 감소시키지만, 공간적으로 일관성이 없는 혼합물의 총 진폭은 0에 접근하는 것이 아니라 단일 점의 평균 진폭에 접근한다.[15] 단, 반점의 일관성 있는 합계의 표준 편차가 평균 반점 강도와 정확히 같기 때문에 스크램블 위상 전선의 광학 헤테로디네 검출은 신호 자체의 크기보다 작은 오차 막대로 절대 광도를 측정할 수 없다. 이 단일성의 상한 신호 대 잡음 비율은 절대 크기 측정 전용으로, 정지된 반점 필드에서 위상, 주파수 또는 시간 변화 상대 증폭도 측정을 위해 신호 대 잡음 비를 단일보다 더 잘 가질 수 있다.

RF 검출에서 "다양성 수신"은 기본 안테나가 간섭 null 지점에 우발적으로 위치할 때 낮은 신호를 완화하기 위해 종종 사용된다. 하나 이상의 안테나를 보유함으로써 신호가 가장 강한 안테나로 적응적으로 전환하거나 심지어 모든 안테나 신호를 일관성 없이 추가할 수 있다. 단순히 더듬이를 일관성 있게 추가하는 것은 광학 영역에서 일어나는 것처럼 파괴적인 간섭을 일으킬 수 있다.

광학 헤테로디엔에 대한 유사한 다양성 수신은 광자 계수 검출기의 배열로 입증되었다.[7] 무작위 반점 필드에 다중 요소 검출기를 일관성 없이 추가하는 경우, 평균 대 표준 편차의 비율은 독립적으로 측정된 반점 수의 제곱근으로 스케일링된다. 이러한 향상된 신호 대 잡음 비 덕분에 헤테로디네 검출에서 절대 진폭 측정이 가능해진다.

그러나 위에서 언급한 바와 같이, 출력 신호의 진동 또는 심지어 다주파수 특성 때문에 헤테로디엔 검출에는 물리적 어레이를 큰 요소 수로 확장하는 것이 어렵다. 대신에, 단일 소자 광학 검출기는 합성 배열 헤테로디네 검출 또는 푸리에 변환 헤테로디네 검출에 의해 다양성 수신기처럼 작용할 수도 있다. 가상 어레이를 사용하면 LO 주파수 중 하나만 적응적으로 선택하거나, 천천히 움직이는 밝은 반점을 추적하거나, 모두 전자 장치에 의한 후처리 작업에 추가할 수 있다.

일관성 있는 시간 합계

N 독립 펄스의 시계열 크기를 일정하지 않게 추가하여 진폭의 노이즈에 대한 신호의 nN 개선을 얻을 수 있지만 위상 정보가 손실되는 비용을 부담할 수 있다. 대신 복수의 펄스 파형의 일관성 있는 추가(복잡한 크기와 위상 추가)는 신호의 노이즈를 제곱근이 아닌 N 인수로 개선하고 위상 정보를 보존한다. 실제적인 한계는 일반 레이저의 인접 펄스가 모든 장거리 복귀 신호에서 큰 무작위 위상 편차를 해석하는 미세한 주파수 편차를 가지고 있다는 것이다. 따라서 공간적으로 스크램블 위상 픽셀의 경우와 마찬가지로 일관성 있게 추가될 때 파괴적으로 간섭한다. 단, 주파수 표류를 차이 주파수(중간 주파수)에 훨씬 못 미치는 수준으로 좁히는 첨단 레이저 시스템으로 일관성 있는 다중 펄스 첨가가 가능하다. 이 기술은 다중 펄스 일관성 있는 도플러 LIDAR에서 입증되었다.[16]

참고 항목

참조

  1. ^ "Optical detection techniques: homodyne versus heterodyne". Renishaw plc (UK). 2002. Archived from the original on 26 July 2017. Retrieved 15 February 2017.
  2. ^ a b c Strauss, Charlie E. M. (1994). "Synthetic-array heterodyne detection: a single-element detector acts as an array". Optics Letters. 19 (20): 1609–11. Bibcode:1994OptL...19.1609S. doi:10.1364/OL.19.001609. PMID 19855597.
  3. ^ Jacobs, Stephen (30 November 1962). Technical Note on Heterodyne Detection in Optical Communications (PDF) (Report). Syosset, New York: Technical Research Group, Inc. Retrieved 15 February 2017.
  4. ^ Hinkley, E.; Freed, Charles (1969). "Direct Observation of the Lorentzian Line Shape as Limited by Quantum Phase Noise in a Laser above Threshold". Physical Review Letters. 23 (6): 277. Bibcode:1969PhRvL..23..277H. doi:10.1103/PhysRevLett.23.277.
  5. ^ Winzer, Peter J.; Leeb, Walter R. (1998). "Coherent lidar at low signal powers: Basic considerations on optical heterodyning". Journal of Modern Optics. 45 (8): 1549–1555. Bibcode:1998JMOp...45.1549W. doi:10.1080/09500349808230651. ISSN 0950-0340.
  6. ^ Feynman, Richard P.; Leighton, Robert B.; Sands, Matthew (2005) [1970]. The Feynman Lectures on Physics: The Definitive and Extended Edition. Vol. 2 (2nd ed.). Addison Wesley. p. 111. ISBN 978-0-8053-9045-2.
  7. ^ a b Jiang, Leaf A.; Luu, Jane X. (2008). "Heterodyne detection with a weak local oscillator". Applied Optics. 47 (10): 1486–503. Bibcode:2008ApOpt..47.1486J. doi:10.1364/AO.47.001486. ISSN 0003-6935. PMID 18382577.
  8. ^ Erkmen, Baris I.; Barber, Zeb W.; Dahl, Jason (2013). "Maximum-likelihood estimation for frequency-modulated continuous-wave laser ranging using photon-counting detectors". Applied Optics. 52 (10): 2008–18. Bibcode:2013ApOpt..52.2008E. doi:10.1364/AO.52.002008. ISSN 0003-6935. PMID 23545955.
  9. ^ Erkmen, Baris; Dahl, Jason R.; Barber, Zeb W. (2013). "Performance Analysis for FMCW Ranging Using Photon-Counting Detectors". Cleo: 2013. pp. CTu1H.7. doi:10.1364/CLEO_SI.2013.CTu1H.7. ISBN 978-1-55752-972-5. S2CID 44697963.
  10. ^ Liu, Lisheng; Zhang, Heyong; Guo, Jin; Zhao, Shuai; Wang, Tingfeng (2012). "Photon time-interval statistics applied to the analysis of laser heterodyne signal with photon counter". Optics Communications. 285 (18): 3820–3826. Bibcode:2012OptCo.285.3820L. doi:10.1016/j.optcom.2012.05.019. ISSN 0030-4018.
  11. ^ Strauss, Charlie E. M. (1995). "Synthetic Array Heterodyne Detection: Developments within the Caliope CO2 DIAL Program". Optical Society of America, Proceedings of the 1995 Coherent Laser Radar Topical Meeting. 96: 13278. Bibcode:1995STIN...9613278R.
  12. ^ Cooke, Bradly J.; Galbraith, Amy E.; Laubscher, Bryan E.; Strauss, Charlie E. M.; Olivas, Nicholas L.; Grubler, Andrew C. (1999). "Laser field imaging through Fourier transform heterodyne". In Kamerman, Gary W; Werner, Christian (eds.). Laser Radar Technology and Applications IV. Proceedings of SPIE. Vol. 3707. pp. 390–408. doi:10.1117/12.351361. ISSN 0277-786X. S2CID 58918536.
  13. ^ Strauss, C.E.M. and Rese, S.J. "Rainbow heetrododyne detection" Lasers and Electro-Optics, 1996. CLEO Pub 날짜: 1996년 6월 2-7일(200) ISBN 1-55752-443-2(DOE 아카이브 참조)
  14. ^ "다중 픽셀 합성 어레이 헤테로디네 검출 보고서", 1995, Strauss, C.E.M. 및 Rehse, S.J. [1]
  15. ^ a b Dinety C (Ed), 레이저 얼룩 및 관련 현상, 1984, Springer Verlag, ISBN 0-387-13169-8
  16. ^ 가브리엘 롬바르디, 제리 버트먼, 토레이 라이온스, 데이비드 테리, 개럿 파이치, "다중 펄스 일관성 있는 레이저 레이더 파형"

외부 링크