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LCGT における loop coupling noise の検証

LCGT における loop coupling noise の検証. 2009/8/20( 木 ) LCGT 干渉計帯域幅特別作業部会 東京大学宇宙線研究所　宮川　治. 検討の方向性. 方針 下に示す「検討の対象」の 4 つのうち、 DRSE 及び BRSE が、ある「方式」で制御信号がきちんと取れ（特に可変の場合の l s ）、ループノイズに問題がな い ことを一例でも示すことができればよしとする 検討の対象 ( 鏡反射率の違い ) 広帯域 (BRSE) 可変 ( 広帯域より )BRSE ( VbBRSE ) 可変 ( 広帯域より )DRSE ( VbDRSE )

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LCGT における loop coupling noise の検証

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Presentation Transcript

  1. LCGTにおけるloop coupling noiseの検証 2009/8/20(木) LCGT干渉計帯域幅特別作業部会 東京大学宇宙線研究所　宮川　治 2009/8/20LCGT干渉計帯域幅特別作業部会 宮川　治

  2. 検討の方向性 • 方針 • 下に示す「検討の対象」の4つのうち、DRSE及びBRSEが、ある「方式」で制御信号がきちんと取れ（特に可変の場合のls）、ループノイズに問題がないことを一例でも示すことができればよしとする • 検討の対象(鏡反射率の違い) • 広帯域 (BRSE) • 可変(広帯域より)BRSE (VbBRSE) • 可変(広帯域より)DRSE (VbDRSE) • 可変(狭帯域より)BRSE (VdBRSE) • 可変(狭帯域より)DRSE (VdDRSE) • 狭帯域 (DRSE) • 方式(変調周波数、MC長、キャビティー長の違い) • Double f1法、3種類（AM、PMは問わず） • Single f1法、4種類 • その他Polarization、Subcarrier等（時間の都合上、今回は検討せず） • ループノイズがOKかどうかの指標  • その他Displacement noiseも考えた場合の、NS-NS到達レンジが5％以上低下しないこと • ループノイズがだめな場合 • UGF、FF gain、非対称性（ETMのロスとITMの透過率）に制限を加える 2009/8/20LCGT干渉計帯域幅特別作業部会 宮川　治

  3. 各検討対象の到達レンジ(変調無し) RF 変調無しのDC readoutでNS-NSの到達レンジをOptickleで計算 SNR=8で天頂入射（先週の会議の神田さんの定義と同じ） ここではDetune phase及びHomodyne phaseの最適化を実行 宗宮君の計算よりBRSEが1割強、DRSEでも一部少しいいのはHD phaseの最適化による効果（宗宮君も確認、宗宮計算では80度で固定） 原理的にはHD phase大で感度向上だが、大きすぎると非対称性から感度が悪化しだす(右上図) これらの感度がループカップリングを考えた場合どれくらい悪化するかを比較検討する 2009/8/20LCGT干渉計帯域幅特別作業部会 宮川　治

  4. これまでに出た変調方式の案 • Michelson反射率がPRM反射率（0.8程度）に近くなると、PRCが透明になり、 • これできちんと制御信号がとれて、切り替えも可能ならOK • S2案以外f1がSRCで反共振なので、これ以降はS2案を検討する • 結局、2つのf1を使おうとするとMC長に無理がでる • MCを100m以上とれない場合はこの案は難しい 2009/8/20LCGT干渉計帯域幅特別作業部会 宮川　治

  5. Detuningの範囲と帯域の切り替え 変調方式とSRC信号が線形な範囲 単位は[degree] • 帯域可変については制御の面からは問題なさそう 切り替えの例:可変狭帯域側をBRSEからDRSEへ 2009/8/20LCGT干渉計帯域幅特別作業部会 宮川　治

  6. 各検討対象の感度曲線 • ループカップリングノイズによる少しの感度低下が到達レンジを簡単に下げてしまう • ループノイズを決定づけるパラメータの見直しが必要 • 前回会議のパラメータでNS-NS到達レンジを計算 • 可変(狭帯域より)BRSE (VdBRSE): 左図、FFありで73%無しで55％までレンジが悪化 • 可変(狭帯域より)DRSE (VdDRSE):右図、FFありで78%無しで18％までレンジが悪化 2009/8/20LCGT干渉計帯域幅特別作業部会 宮川　治

  7. パラメータ • それでもパラメータ空間は広いので実現が全く不可能ではなさそうな適当なパラメータ値を仮定する 前回からの変更点 • Carrierパワーでで75Wを干渉計に入射（以前はSB込みで75W） • DC readoutをdefault • BRSEはPM-AM、DRSEはPM-PM • PM-AMの場合の変調指数、0.15-0.1に増加（以前は0.1-0.1）、PM-PMの場合を0.15-0.15に増加（以前は0.1-0.1） • OMCの cut off 周波数(RFが漏れすぎていた、以前2.1MHzから200kHzに変更、finesse:2000, length:1.5mに相当) • 復調位相の最適化を100Hzで行う（以前は0.1Hz） • 制御帯域幅: [L+, L-,l+, l-, ls] = [30k, 200, 20, 20, 20] Hzに変更 (以前はl-, lsは50Hzを仮定) • l+, l-, lsに対するfeed forward gainを100に増加(以前は30を仮定) • ダイナミックレンジの制限は無視 その他表記すべき重要パラメータ • 各鏡のHR面のロス: 45ppm • EMの透過率:10ppm(腕一本でキャビティー内ロスがトータル100ppmになる) • 非対称性 • FMの透過率に+/-100分の1のずれ→各腕のfinesse=770, 786 • EMの透過率に+/-5ppmのずれ→各腕のcavity反射率=95.01%, 95.40% 2009/8/20LCGT干渉計帯域幅特別作業部会 宮川　治

  8. 信号取得ポートの選択 (例: VdDRSE） Shot noise limited sensitivity [m/rHz] at 0.100000 Hz dem.phL+ L- l+ l- ls • REFLf1 16 2.75e-19 -3.20e-17 4.75e-18 8.35e-14 -9.09e-16 • REFL f2 1461.04e-19 -1.09e-17 -4.37e-17 1.10e-13 1.57e-10 • AS DC -2.76e-18 2.67e-20 1.44e-15 1.34e-17 3.58e-14 • REFL DDM 132,160 -1.32e-14 1.37e-12 1.90e-15 -1.77e-13 -5.02e-15 • REFL f1 -166 -2.75e-19 3.20e-17 -3.66e-18 -1.22e-14 9.08e-16 • POX f1 60 -4.72e-19 4.93e-18 -3.59e-16 3.90e-15 2.29e-15 • POX f2 -160 -3.56e-19 4.14e-18 2.71e-16 -1.28e-13 -1.10e-11 • OMCR DDM 80,-42 2.92e-13 1.09e-13 9.66e-16 2.60e-16 4.19e-15 • REFL f1 106 1.61e-16 -1.27e-14 4.82e-15 -4.21e-16 3.01e-14 • REFL f2 147 1.04e-19 -1.09e-17 -4.37e-17 1.10e-13 8.34e-11 • POX DDM -21,62 -5.40e-15 3.62e-14 1.00e-14 -7.20e-13 1.48e-14 • POX f1 40 -4.82e-19 5.00e-18 -3.67e-16 -2.50e-14 2.15e-15 • REFL DDM 129, -18 1.09e-15 -1.13e-13 4.96e-13 -1.95e-13 -9.18e-12 • REFL f2 -166 -2.75e-19 3.20e-17 -3.66e-18 -1.22e-14 9.08e-16 L+ L- l+ l- ls 青字:実際に使用 • これは鏡の質量を無限大にして輻射圧の効果を無視し、PDに入るパワーからshot noiseを計算し、各自由度から各ポートへのoptical gainで割ったものである • 実際には輻射圧も考え、shotnoiseの代わりにvacuumから計算したquantum noiseを、輻射圧込みのoptical gainで割ったものを考える 2009/8/20LCGT干渉計帯域幅特別作業部会 宮川　治

  9. Quantum noise limited sensitivity(例: VdDRSE） Optical gain Vacuum • 実際にはこのように周波数応答がある 2009/8/20LCGT干渉計帯域幅特別作業部会 宮川　治

  10. ポートとループノイズによる到達レンジの低下ポートとループノイズによる到達レンジの低下 • 前記パラメータでなんとかなりそう • PM-AMのSDMはポート数が少ないため信号が縮退する • AMを使うと変調が大変 • BRSEでPM-PMだとロックアクイジションに3倍波復調とかを使わないといけない 2009/8/20LCGT干渉計帯域幅特別作業部会 宮川　治

  11. 変調指数依存性 • 定性的には変調指数を上げるとループノイズが小さくなり、かつDC readoutが汚される、下げるとその逆 • AMの変調指数を上げることが難しいことを考えると、狭帯域寄りは厳しいか PM-PMのDRSEでf1、f2ともに干渉計入射時での変調指数を変えた（左図） PM-AMのBRSEでf2のAMのみを変えた（右図） 2009/8/20LCGT干渉計帯域幅特別作業部会 宮川　治

  12. その他最適化 • FF gain、UGFともにBRSE、もしくは可変でも広帯域よりの方が楽 2009/8/20LCGT干渉計帯域幅特別作業部会 宮川　治

  13. 各検討対象星取り表 可変なら広帯域よりが良さそう 2009/8/20LCGT干渉計帯域幅特別作業部会 宮川　治

  14. Appendix -------------------------------- f1=11.25MHz, f2=45MHz, fmc=11.25MHz lp=73.2826, l-=3.33103, ls=73.2826, lmc=13.3241rm1=0.707107 -------------------------------- f1=13.5MHz, f2=45MHz, fmc=4.5MHz lp=83.2757, l-=3.33103, ls=61.0688, lmc=33.3103rm1=0.587785 -------------------------------- f1=9.MHz, f2=45MHz, fmc=9.MHz lp=74.9481, l-=6.66205, ls=74.9481, lmc=16.6551rm1=0.309017 -------------------------------- f1=12.8571MHz, f2=45MHz, fmc=6.42857MHz lp=81.6102, l-=6.66205, ls=69.9516, lmc=23.3172rm1=-0.222521 --------------------------------- 2009/8/20LCGT干渉計帯域幅特別作業部会 宮川　治

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