Active Phase Compensation in a Fiber-Optical Mach-Zehnder Interferometer

• Main Author: Argillander, Joakim
• Format: Others
• Language: English
• Published: Linköpings universitet, Informationskodning 2020
• Subjects: phase stability; interferometer; quantum key distribution; fpga; automatic control; fasstabilitet; kvantnyckeldistribution; reglerteknik; Computer Engineering; Datorteknik; Telecommunications; Telekommunikation
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:liu:diva-166419

This thesis investigates the phenomena of phase stability in a fiber-optical MZI (Mach-Zehnder Interferometer). The MZI is a key building block of optical systems for use in experiments with both continuous-wave light and with single photons. By splitting incoming light into two beams and allowing it to interfere with itself, an interference pattern is visible at the output, and this phenomena can be used to code information. This is the operating principle in, for example, QKD (Quantum Key Distribution) experiments. This interference requires coherence that is higher than the length difference between the beams that the incoming light is split into. Particularly the phase of the beams must be equal to achieve constructive interference. If one beam is phase-shifted (with respect to the other) due to the light having traversed a longer path, only partially constructive interference is achieved. If the phase shift also varies with time this leads to a system where experiments can no longer reliably be performed. Sources of these fluctuations are thermal, acoustic or mechanical. Fiber-optical interferometers are particularly sensitive to path length fluctuations of the waveguides as the fiber-optic medium contracts and elongates with temperature, and also has a larger surface area for circulating air to mechanically disturb the waveguides than bulk optics interferometers. In this thesis, a solution to environment-induced phase drift is presented by evaluating implementations of feedback algorithms for automatic control. The algorithms PID (Proportional-, Integral-, Derivative controller) and an ICA (IncrementalControl Algorithm) have been investigated and the performance of these controllers has been compared when used with, and without, optical enclosures. The algorithms are implemented in an FPGA (Field-Programmable Gate Array) and the controller actuates an electro-optical phase modulator that can add a phase shift to one of the light beams in the MZI. This thesis shows that significant improvement in the optical stability can be achieved with active control compared to an interferometer without active phase control. === Det här examensarbetet undersöker fenomenet fasstabilitet i en fiber-optisk MZI (Mach-Zehnder-Interferometer). MZI:n är en viktig byggsten i optiska system som används till experiment med både kontinuerligt emitterande lasrar och med enskilda fotoner. Genom att dela upp inkommande ljus i två strålar och låta det interferera med sig själv så bildas ett interferensmöster vid utgången vilket kan användas för att koda information. Det här är huvudprincipen bakom, till exempel, experiment inom QKD (kvantnyckeldistribution, eng: Quantum Key Distribution). Denna interferens förutsätter en koherens (högre än längdskillnaden mellan strålarna) mellan strålarna som det inkommande ljuset är uppdelat i. Särskilt måste fasen hos de bägge strålarna vara lika för att åstadkomma fullständig konstruktiv intereferens. Om en stråle är fasförskjuten (i förhållande till den andra) på grund av att ljuset har färdats en längre sträcka så uppnås endast delvis konstruktiv interferens. Om fasförskjutningen även varierar med tiden så leder det till ett system där experiment inte längre kan pålitligt utföras. Sådana fluktuationer är orsakade av termiskt, akustiskt samt mekaniskt varierande effekter. Fiberoptiska interferometrar är särskilt känsliga mot förändringar i vågledarnas längd. Detta på grund av att det fiberoptiska mediet dras ihop respektive sträcks ut med temperaturen, samt att fibern har en större ytarea som cirkulerande luft kan påverka mekaniskt jämfört med interferometrar konstruerade av bulkoptik. I det här examensarbetet presenteras en lösning på problemet med miljöinducerad fasskift genom att utvärdera reglertekniska återkopplande algoritmer. Algoritmerna PID (Proportionell-, Integrerande-, Deriverande regulator) samt ICA (Inkrementell Regleralgoritm, eng: Incremental Control Algorithm) har undersökts och deras prestanda har jämförts med samt utan avskärmning. Algoritmerna har implementerats i en FPGA (fältprogrammerbar grindmatris, eng: Field-Programmable Gate Array) och regulatorn styr en elektrooptisk fasmodulator som kan addera en fasförskjutning till en av ljusstrålarna i MZI:n. Resultat visar att passiv avskärmning inte är tillräckligt utan behöver användas tillsammans med aktiv reglering för att uppnå stabilitet över en längre tidsperiod. Detta examensarbete visar på att en signifikant förbättring i den optiska stabiliteten kan uppnås med aktiv reglering jämfört med en interferometer utan aktiv fasreglering.