レーザー干渉計型重力波検出器 TAMA300 のパワーリサイクリング XIX ( 信号取得・制御系 )

1. レーザー干渉計型重力波検出器TAMA300のパワーリサイクリングXIX(信号取得・制御系)レーザー干渉計型重力波検出器TAMA300のパワーリサイクリングXIX(信号取得・制御系) 中川憲保、新井宏二、佐藤修一，高橋竜太郎，阿久津智忠， 辰巳大輔，常定芳基，福嶋美津広，山崎利孝，三代木伸二， 長野重夫，安東正樹，森脇成典，武者満，神田展行，三尾典克，川村静児，藤本眞克，坪野公夫，大橋正健，黒田和明， TAMA Collaboration 　日本物理学会第６０回年次大会　東京理科大（千葉、野田）　　中川憲保

2. 目次 • 動機 • DemodulatorとMixer • 高調波対策 • 高調波の寄与 • まとめ

3. に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。に入ってくる干渉計からの信号には基本波以外の高調波が多く含まれている。 1.動機 Demodulator Photo detector 復調回路 (demodulator) Power [dBm] 2f : -12dBm 3f : -53dBm 4f : -46dBm 5f : -52dBm 1f : -18dBm 0 Frequency [Hz] 15M 重力波信号はここに乗って来る あまりに余分な信号が多い。これはノイズにならないだろうか…？

4. 2-1. Demodulatorとは 改良前の構成 Buffer Phase shifter LO 15MHz Mixer IF RF Demodulator Photo detector LO：変調に用いた基準信号。Phase shifterで位相を操作する。 RF：干渉計からの信号。TAMAでは直接Mixerにつながる。

5. 2-2. Mixerとは 15M その働き 干渉計に入れた信号(LO)と出てきた信号(RF)を掛け合わせ、干渉計信号(IF)を分離する。 IF LO RF 理想的な場合 LO RF IF × → DC 30M 15M

6. 2-2. Mixerとは 高調波がもたらす問題 LO、RFの一方だけに高調波がある場合は問題ない ノイズの可能性 LO RF IF × → 純LO×純RF × → 純LO×汚RF × → 汚LO×純RF ？ × → 汚LO×汚RF

7. 2-2. Mixerとは ダウンコンバートしてからでは区別出来ない！ LO、RFで高調波対策に取り組む 高調波がもたらす問題 LO、RFの一方だけに高調波がある場合は問題ない ノイズの可能性 LO RF IF × → 純LO×純RF × → 純LO×汚RF × → 汚LO×純RF ？ × → 汚LO×汚RF

8. 2-3. 高調波への感度 RFにわざと高調波を入れてその感度を測定 ダウンコンバート測定 LOが1fのみなら、高調波の感度は０のはず 評価測定 実際、TAMAのDemodulatorでどのくらいダウンコンバートするのか調べてみた。 予想図 Buffer LO Phase shifter 入力power Mixer RF LO：15MHz RF：15MHz+1kHz IFに出てくる1kHzのpowerを読み取る 15M+1kHz

9. 2-3. 高調波への感度 RFにわざと高調波を入れてその感度を測定 ダウンコンバート測定 LOが1fのみなら、高調波の感度は０のはず 評価測定 Buffer LO Phase shifter 1kHz 入力power Mixer RF LO：15MHz RF：15MHz+1kHz IFに出てくる1kHzのpowerを読み取る 15M +1kHz

10. 2-3. 高調波への感度 RFにわざと高調波を入れてその感度を測定 ダウンコンバート測定 LOが1fのみなら、高調波の感度は０のはず 評価測定 Buffer LO Phase shifter 1kHz 入力power Mixer RF LO：15MHz RF：30MHz+1kHz IFに出てくる1kHzのpowerを読み取る 30M +1kHz

11. 2-3. 高調波への感度 RFにわざと高調波を入れてその感度を測定 ダウンコンバート測定 LOが1fのみなら、高調波の感度は０のはず 評価測定 Buffer LO Phase shifter 1kHz 入力power Mixer RF LO：15MHz RF：45MHz+1kHz IFに出てくる1kHzのpowerを読み取る 45M +1kHz

12. 2-3. 高調波への感度 RFにわざと高調波を入れてその感度を測定 ダウンコンバート測定 LOが1fのみなら、高調波の感度は０のはず 評価測定 約10dB Buffer LO Phase shifter 1kHz Mixer 3fのHarmonic distortionは約10dB(3倍ちょっと) RF 高調波がノイズになりうる！ 対策を考える 45M+1kHz

13. 3-1. 高調波対策 LOで高調波を減らす改良 位相調整にPhase shifterを使用 現在、over driveで使用 高調波が増加 対策 Phase shifterの前にattenuator、後にアンプを入れて調整する

14. 3-2. LOの改良 Buffer LO Phase shifter Mixer Amp 11dB Buffer LO Phase shifter AttN 10dB Mixer LO：基本波 RF：基本波or高調波+1kHz LO改良結果 IF出力（1kHz成分） Phase Shifterの入力調整を以下のように行った -21dB -18dB 基本波　　 ：　変化無し　　偶数倍波　：　改善　　　　　奇数倍波　：　 変化無し 原因を追究

15. 3-3. Mixerの特性 改善しない理由 今回使ったMixer 復調にはMixerを用いている Mixerは単なる掛け算機と考えていた Double balanced mixer TUF-3LH (minicircuits) 実際はLOはスイッチとして働く 正弦波でなく矩形波に近いふるまい 奇数倍波の高調波が発生する Mixer内の回路図 構造上これは防ぎようがない

16. 4-1. 干渉計における影響 干渉計感度への寄与の測定 干渉計を制御しつつ信号を分割して高調波の寄与を測定 干渉計制御 Dark port Power splitter Photo detector 高調波を選択するfilter 1f : -18dBm 2f : -12dBm 3f : -53dBm 4f : -46dBm 5f : -52dBm 実際、干渉計感度に高調波がどれだけ影響を与えるかを見てみた。 各高調波の感度への寄与

17. 4-1. 干渉計における影響 干渉計感度への寄与の測定 干渉計を制御しつつ信号を分割して高調波の寄与を測定 LO 干渉計制御 Dark port Power splitter Photo detector 高調波を選択するfilter 干渉計制御用と、高調波測定用のDemodu-latorでの位相が一致するように調整する。 1f : -18dBm 2f : -12dBm 3f : -53dBm 4f : -46dBm 5f : -52dBm LO 各高調波の感度への寄与

18. 4-1. 干渉計における影響 感度＝ (最大)2＋(最小)2 干渉計感度への寄与の測定 干渉計を制御しつつ信号を分割して高調波の寄与を測定した 干渉計制御 1fと比較した時、位相が明確でないので、2fによる感度を位相を変えて、最大になる時と最小になる時を測定。 Dark port Power splitter Photo detector buffer down 1f : -18dBm 2f : -12dBm 3f : -53dBm 4f : -46dBm 5f : -52dBm 1fノッチ(減衰) LO buffer 2fによる感度への寄与

19. 4-1. 干渉計における影響 感度＝ (最大)2＋(最小)2 干渉計感度への寄与の測定 干渉計を制御しつつ信号を分割して高調波の寄与を測定した 干渉計制御 1fと比較した時、位相が明確でないので、3fによる感度を位相を変えて、最大になる時と最小になる時を測定。 Dark port Power splitter Photo detector buffer down 1f : -18dBm 2f : -12dBm 3f : -53dBm 4f : -46dBm 5f : -52dBm 1fノッチ(減衰) down 2fノッチ(減衰) 残りの高調波による感度への寄与 buffer

20. 4-2. 測定結果 感度曲線 今回、干渉計の制御に用いていたTAMAの感度

21. 4-2. 測定結果 感度曲線 1fを減衰させ、2fの高調波による影響 Demodulatorとfilterのノイズにリミットされている。 現在の測定性能でのupper limit 2倍波の影響は無さそうだ 2fの測定

22. 4-2. 測定結果 感度曲線 1f、2fを減衰させ、それ以外の高調波による影響 Demodulatorとfilterのノイズにリミットされている。 現在の測定性能でのupper limit 3倍波以上も影響は無さそうだ 3f以上の測定

23. 5.まとめ LO 高調波 Phase shifter over driveへの対処で、偶数倍波は改善 Mixer LOで奇数倍波は対処できないことが判明 干渉計感度への寄与 現在の測定精度では影響は見えない。少なくても今回のノイズレベルまで感度が向上しても大丈夫。 倍波の流入 感度に効いてこなくても基本波以上のパワーで存在しており、サチレーションが起きる可能性がある。今後PD等で対策は必要。

24. 以上です

25. 3-1. Demodulator 「LO」 まずは、LOで高調波を減らす改良 Phase shifterのharmonic distortion 位相調整にPhase shifterを使用 現状、Phase shifterがover drive TAMA300ではLOとして、11.8dBmが入っているが、このPhase shifterの推奨値は0dBm 現状 2fに関して約-10dB この事が原因で高調波が増えてしまっている。 Phase shifterの前にattenuatorを、後にアンプを入れて調整する

26. 3-1. Demodulator 「LO」 まずは、LOで高調波を減らす改良 Phase shifterのharmonic distortion 位相調整にPhase shifterを使用 現状、Phase shifterがover drive TAMA300ではLOとして、11.8dBmが入っているが、このPhase shifterの推奨値は0dBm 調整後 2fに関して約-20dB この事が原因で高調波が増えてしまっている。 10倍の改善 Phase shifterの前にattenuatorを、後にアンプを入れて調整する

27. 4-2. Demodulator 「RF」 RF改良結果 高調波 ノイズフロア それぞれの問題をふまえて以下のように改良を行った -27dB -60dB -54dB -58dB Mixer RF IF出力（1kHz成分） Mixer LO：基本波 RF：基本波or高調波+1kHz Low-pass filter Buffer 基本波　　 ：　変化無し　　偶数倍波　：　改善　　　　　奇数倍波　：　改善 RF 2nd wave notch Buffer

28. 4-2. Demodulator 「RF」 RF改良結果 高調波 ノイズフロア それぞれの問題をふまえて以下のように改良を行った Mixer RF Mixer RFの改良前後のノイズフロアレベル Low-pass filter Buffer ノイズフロアは悪化 干渉計感度からの要請10-7以下を満たさない RF 2nd wave notch Buffer このままだとこの改良は使えない

29. 4-2. Demodulator 「RF」 RF改良結果 高調波 ノイズフロア それぞれの問題をふまえて以下のように改良を行った Mixer RF Mixer RFのBufferゲインを変えた時のノイズレベル Low-pass filter Buffer ゲインに比例したノイズレベル Bufferが原因と判明 RF 2nd wave notch Buffer 難しい選択‥‥

30. 3-4. Demodulator 「LO」 奇数倍波が改善しない理由 問題となる３倍波のHarmonic Distortion 復調にはMixerを用いている LO Mixerは単なる掛け算機と考えていた 15MHz Resistance Mixer RF 50Ω 実際はLOとRFの役割は異なり、LOはスイッチとして働く 正弦波でなく矩形波に近いふるまい -37dB 奇数倍波の高調波が発生する

31. 3-4. Demodulator 「LO」 奇数倍波が改善しない理由 問題となる３倍波のHarmonic Distortion 復調にはMixerを用いている LO Mixerは単なる掛け算機と考えていた 15MHz Mixer RF 50Ω 実際はLOとRFの役割は異なり、LOはスイッチとして働く -13dB 正弦波でなく矩形波に近いふるまい 奇数倍波の高調波が発生する Mixerを入れると悪化 構造上これは防ぎようがない

32. 5-2. 感度曲線測定結果 減衰した1fから決まる感度 • Q-phaseで比較した感度曲線 高調波が効いてくる？ Demodulator noiseで決まっている 減衰しても効いてくる1fで決まっている

33. 5-2. 感度曲線測定結果 • I-phaseで比較した感度曲線 減衰した1fから決まる感度 減衰しても効いてくる1fで決まっている Demodulator noiseで決まっている

34. 5-2. 感度曲線測定結果 位相差がわからないのでI、Qの自乗和ルートを取った • 高調波の感度曲線寄与の評価 30Hz 30Hz以下では高調波が効いてくる可能性がある それ以上では、2fで100倍、3fで6.3倍感度が向上しても影響はない

35. 3-3. Demodulator Influence of the harmonics Demodulation also down convertunnecessary harmonics to AF It is a noise of the signal. AF LO RF Removed by a filter Calculation of the Standard Harmonics (it is not exist in ideal) LO RF It is impossible to distinguish! Signal of the interferometer To do something against harmonics.

36. 4. Improvement of the demodulator Buffer LO Amp Output Phase shifter Mixer Diplexer1st order RF Improvement Buffer Amp LO Amp Phase shifter Output AttN 20dB Mixer 2nd wave notch Low-pass filter Diplexer2nd order RF Buffer Buffer

37. 参考「 高調波の計算」 現状 Harmonic Distortion 倍波のHarmonic Distortion N倍の周波数のパワーから基本波の周波数パワーを引いたもの。単位はdB。 LO：-25dB RF：0dB AF：-25dB (0.3%) さらに高次の高調波についても同様の事が言える dBとdBm 足し上げると基本波の数％ 目安として 0dBm=1mW 復調後は区別できず、直接ノイズとなってしまう 3dB=2倍10dB=10倍20dB=100倍 まず、信号ではないLO改良！

38. 参考「Detectorノイズレベル」 必要なノイズレベル Detector部に要求されるノイズレベルの前提としては、「干渉計の感度曲線に影響を与えない」事である。その計算については、いくつかの条件から求めた。 　・DCで目標を 　・大まかに伝達関数Tは これより、Detector部に要求されるノイズレベルは 　　　　　　　　　　以下ということになる。 ぎりぎりTAMA300現行モデルのノイズレベルと一致する。また次世代干渉計を考えると、出来る事ならDetectorノイズは落としておきたい。

39. 参考「Mixerのはたらき」 パワー小 パワー大 - - + - + off + on • Mixerの働き（理想） • LOとRFを掛け合わせ、高周波域を除去することで、シグナルの周波数をdown convertする。 • Mixerの働き（現実） 　・ LOの働きはダイオードのスイッチをオンオフするのが主。 　・そのために矩形波のような働きになる。 　・よって、奇数倍の高調波が発生しやすくなる。 × LO RF diplexer (IF) で除去 Output signal Mixer回路 パワー大 パワー小 + + + + - - + + - - - - on off LO位相 + + - + - - LOスイッチで極性が変わる

40. 5-2. 測定結果 感度曲線 2fを減衰させ、1fの高調波による影響