마이크로 공진기 커 솔리톤 주파수 빗(Kerr Soliton Microcomb) LLE 분산 & 1,000Hz 0-Alloc C# 광시계 동기화 서보 엔진

using System;
using System.Runtime.CompilerServices;

namespace ZeliDesk.Stem.Optics.Microcomb
{
    /// 

    /// 마이크로콤 광학 계측 센서 텔레메트리 (0-Alloc Stack Only)
    /// 
    public readonly ref struct MicrocombTelemetry
    {
        public readonly float TransmittedPowerMw;  // [mW] 링 공진기 투과 광파워
        public readonly float RfNoiseLevelDbm;     // [dBm] 저주파 광검출기 노이즈 (카오스 지표)
        public readonly float LaserPiezoVolts;     // [V] 현재 펌프 레이저 피에조 튜닝 전압
        public readonly float MicroHeaterTempC;    // [C] 온칩 마이크로 히터 온도
        public readonly float TargetDetuningMhz;   // [MHz] 목표 솔리톤 적색 디튜닝량

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public MicrocombTelemetry(
            float transmittedPowerMw,
            float rfNoiseLevelDbm,
            float laserPiezoVolts,
            float microHeaterTempC,
            float targetDetuningMhz)
        {
            TransmittedPowerMw = transmittedPowerMw;
            RfNoiseLevelDbm = rfNoiseLevelDbm;
            LaserPiezoVolts = laserPiezoVolts;
            MicroHeaterTempC = microHeaterTempC;
            TargetDetuningMhz = targetDetuningMhz;
        }
    }

    /// 

    /// 마이크로콤 솔리톤 제어 및 광시계 연산 결과 구조체
    /// 
    public readonly ref struct MicrocombControlResult
    {
        public readonly float CommandedPiezoDeltaV;  // [V] 피에조 전압 보정량
        public readonly float CommandedHeaterPwm;    // [0.0~1.0] 온칩 히터 PWM 듀티
        public readonly float EstimatedDetuningMhz;  // [MHz] 현재 추정 디튜닝 주파수
        public readonly float CombRepetitionRateGhz; // [GHz] 솔리톤 반복률
        public readonly bool IsSingleSolitonLocked;  // 단일 솔리톤 위상 잠금 플래그
        public readonly bool IsThermalQuenchRisk;    // 열적 퀜칭 붕괴 위험 감지

        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public MicrocombControlResult(
            float commandedPiezoDeltaV,
            float commandedHeaterPwm,
            float estimatedDetuningMhz,
            float combRepetitionRateGhz,
            bool isSingleSolitonLocked,
            bool isThermalQuenchRisk)
        {
            CommandedPiezoDeltaV = commandedPiezoDeltaV;
            CommandedHeaterPwm = commandedHeaterPwm;
            EstimatedDetuningMhz = estimatedDetuningMhz;
            CombRepetitionRateGhz = combRepetitionRateGhz;
            IsSingleSolitonLocked = isSingleSolitonLocked;
            IsThermalQuenchRisk = isThermalQuenchRisk;
        }
    }

    /// 

    /// 1,000Hz 실시간 Kerr 솔리톤 마이크로콤 주파수 잠금 서보 엔진
    /// 
    public ref struct KerrMicrocombEngine
    {
        private const float NominalFsrGhz = 230.0f; // [GHz] 공진기 자유스펙트럼영역 FSR
        private const float SolitonStepPowerMw = 18.5f; // [mW] 단일 솔리톤 투과 파워 기준치
        private const float LowNoiseThresholdDbm = -65.0f; // [dBm] 저잡음 단일 솔리톤 RF 임계치

        private float prevTransmittedPower;

        /// 

        /// 1ms 주기 광파워 미분 분석 및 솔리톤 주파수 디튜닝 잠금 루프
        /// 
        [MethodImpl(MethodImplOptions.AggressiveInlining)]
        public MicrocombControlResult Update(in MicrocombTelemetry telemetry)
        {
            // 1. 투과 광파워 미분 계산 (1ms dt)
            float powerDiff = telemetry.TransmittedPowerMw - prevTransmittedPower;
            prevTransmittedPower = telemetry.TransmittedPowerMw;

            // 2. 솔리톤 상태 판정: 파워가 스텝 영역(17~20mW)에 있고 RF 노이즈가 급감(-65dBm 이하)
            bool isLowNoise = telemetry.RfNoiseLevelDbm <= LowNoiseThresholdDbm;
            bool isInStep = MathF.Abs(telemetry.TransmittedPowerMw - SolitonStepPowerMw) < 2.0f;
            bool isSingleSoliton = isLowNoise && isInStep;

            // 3. 디튜닝 오차 및 피에조 전압 서보 보정
            // 솔리톤 스텝 내에서는 파워가 디튜닝에 선형 비례
            float estimatedDetuning = 50.0f + (telemetry.TransmittedPowerMw - SolitonStepPowerMw) * 8.0f;
            float detuningError = telemetry.TargetDetuningMhz - estimatedDetuning;

            float deltaPiezo = 0.0f;
            if (isSingleSoliton)
            {
                // 솔리톤 고정 모드: 미세 전압 PID 보정 (100MHz/V 감도)
                deltaPiezo = Math.Clamp(detuningError * 0.005f, -0.05f, 0.05f);
            }
            else
            {
                // 탐색 모드: 적색 방향으로 부드러운 스위핑 (+0.02V/ms)
                deltaPiezo = 0.02f;
            }

            // 4. 온칩 마이크로 히터 PWM (열 완화 시상수 보상)
            float targetHeaterPwm = Math.Clamp(0.5f + (detuningError * 0.01f), 0.1f, 0.9f);

            // 열적 붕괴(퀜칭) 위험 감지: 급격한 파워 강하
            bool quenchRisk = (powerDiff < -3.0f) && !isSingleSoliton;

            return new MicrocombControlResult(
                commandedPiezoDeltaV: deltaPiezo,
                commandedHeaterPwm: targetHeaterPwm,
                estimatedDetuningMhz: estimatedDetuning,
                combRepetitionRateGhz: NominalFsrGhz,
                isSingleSolitonLocked: isSingleSoliton,
                isThermalQuenchRisk: quenchRisk
            );
        }
    }
}