Ruis op het signaal? Geen probleem!
Betere optische detectie door ruis op het signaal te omarmen
Elke meting heeft last van ruis. Dat geldt zeker voor sensoren die
veranderingen in de omgeving moeten waarnemen die nauwelijks groter of zelfs
kleiner zijn dan de ruis in de sensor zelf. Ook AMOLF-onderzoeker Said
Rodriguez kwam dit probleem tegen in zijn optische experimenten en besloot het
anders aan te pakken. In een artikel dat op 13 februari 2020 verscheen in
Physical Review Applied, laat hij zien hoe ruis een hulpmiddel kan zijn bij
optische detectie, in plaats van een stoorzender.
“Ruis gebruiken om sensoren te verbeteren klinkt contra-intuïtief”, geeft
Rodriguez toe. “Stel je voor dat je de grootste letters in een ogentest niet
eens kunt zien. En dat een plotselinge aardbeving ervoor zorgt dat het beeld
scherper wordt, dat je zelfs de kleinste letters wel kunt onderscheiden,
geholpen door de trillende moleculen in de lucht tussen het scherm en je ogen.
Dit lijkt op wat er gebeurt in de optische sensor die ik voorstel.”
Kleine veranderingen in de omgeving
Zoals veel onderzoekers die zich met optica bezighouden, gebruikt Rodriguez
resonerende systemen die piepkleine veranderingen in hun omgeving kunnen
detecteren. Een gebruikelijke optische sensor bestaat uit een trilholte, een
lege ruimte waarin laserlicht heen en weer beweegt (resoneert) tussen twee
spiegels. De resonantiefrequentie hangt af van wat er in en om de trilholte
gebeurt. “Zo zal een gas dat door de trilholte stroomt, de resonantiefrequentie
beïnvloeden, net zoals een verandering in de temperatuur, of de druk”, legt
Rodriguez uit. “Een standaarddetector meet deze verandering in
resonantiefrequentie als een verandering in de intensiteit van het licht dat de
trilholte verlaat. De metingen worden echter altijd verstoord door ruis in het
meetsysteem. De meest gebruikte manier om het schadelijke effect van ruis te
verminderen is door over een lange tijdsperiode te meten en dan het gemiddelde
te berekenen. Dat drukt de meetsnelheid, terwijl het voor de meeste
toepassingen belangrijk is om zo snel mogelijk te kunnen meten. Bovendien is
het onmogelijk om alle ruis te onderdrukken. Zelfs als we alle klassieke (bijv.
thermische) ruis elimineren, wordt de meetsnelheid nog beperkt door
quantumruis.”
Ruis omarmen voor betere metingen
Terwijl de meeste optische sensoren lineair zijn – licht dat eruit komt is een
lineaire functie van het licht dat erin ging – heeft Rodriguez gerekend aan een
optische detectiemethode gebaseerd op non-lineariteit, wat betekent dat fotonen
binnen de sensor op elkaar inwerken. “In de trilholte stoppen we een materiaal
dat het resonerende licht beïnvloedt op een niet-lineaire manier. Het licht dat
uit de trilholte komt, is geen lineaire functie van wat erin ging, maar is
bi-stabiel: voor een gegeven ingaande lichtintensiteit, kan de output twee
waarden hebben”, zegt hij. “De onvermijdelijk ruis in het systeem zorgt dat de
lichtsterkte die uit de sensor komt willekeurig wisselt tussen die twee
waarden. Wanneer de resonantiefrequentie van de trilholte verandert (bijv. als
er een deeltje binnenkomt), verandert dit patroon van wisselingen ook.”
Een statistische analyse van het output-patroon laat de verandering van de
resonantiefrequentie zien. Omdat ruis zorgt voor een hogere frequentie van
wisselingen in het output-patroon, én omdat een hogere wisselfrequentie
betekent dat er minder tijd nodig is om genoeg data te verkrijgen voor de
statistiek, maakt meer ruis de sensor sneller. Rodriguez: “In gewone sensoren
zorgt meer ruis ervoor dat een langere meettijd nodig is om iets te detecteren
dat de trilholte binnenkomt, maar bij deze sensor is de meetsnelheid juist
hoger bij meer ruis. Dat is opmerkelijk!”
Optimaal gevoelig bij quantumruis
Omdat het onmogelijk is om quantumruis te vermijden, is het erg nuttig om
sensoren te ontwikkelen die de ruis omarmen in plaats van proberen te
vermijden. Rodriguez ontdekte dat de gevoeligheid van zijn ruis-omarmende
sensor ook afhankelijk is van ruis. “Net als de meetsnelheid blijkt de
gevoeligheid toe te nemen bij toenemende ruis, maar niet continu. Het blijkt
dat de sensor het best presteert in het regime van quantumruis”, zegt hij. “Dat
maakt de sensor een interessant alternatief voor meetgebieden waar de
standaardmethoden niet zo goed presteren.”
Rodriguez berekende de theoretische limiet voor de meetsnelheid van zijn
niet-lineaire meetmethode en vergeleek die met de theoretische snelheidslimiet
van lineaire optische sensoren. Omdat de niet-lineaire methode al bijna even
goed presteert als de lineaire, heeft hij er hoge verwachtingen van. Hij is van
plan om het systeem nog verder theoretisch te onderzoeken en uiteindelijk een
daadwerkelijke sensor te realiseren die gebruik maakt van ruis. “Er zijn al
vergelijkbare methoden in gebruik in elektrische systemen, maar tot nu toe is
ruis nog nooit gebruikt om optische metingen te verbeteren”, zegt hij. “Omdat
ze laten zien hoe we de onvermijdelijke quantumruis kunnen inzetten voor
optische detectie, kunnen deze resultaten uiteindelijk de grenzen oprekken van
wat meetbaar is met state-of-the-art optische sensoren.”
Voor de redactie
Contactinformatie
Said RK Rodriguez
phone: 06 55 50 98 10
e mail: s.rodriguez@xxxxxxxx <mailto:s.rodriguez@xxxxxxxx>
Referentie
S.R.K. Rodriguez, Enhancing the speed and sensitivity of a nonlinear optical
sensor with noise, Phys. Rev. Applied 13, 024032 (2020)
doi.org/10.1103/PhysRevApplied.13.024032
Beeld
Bijschrift:
Een optische trilholte met een niet-lineair materiaal (paars) tussen twee
spiegels (blauw). Licht dat binnenkomt aan de linkerkant, resoneert binnen de
trilholte. De ruis in het systeem zorgt ervoor dat het licht dat er aan de
rechterkant uitkomt, een intensiteit heeft die willekeurig wisselt tussen twee
waarden. Een kleine verstoring in de trilholte (zoals een binnenkomend deeltje,
hier aangegeven in geel, Є) verandert het wisselende output-patroon. (Credits:
Said Rodriguez en Henk-Jan Boluijt, AMOLF)
Attachment:
fig1.jpg
Description: JPEG image
