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 verschijnt 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.”

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