Optiske frekvenskammer: Spektral renhetsoverføring

Optiske frekvenskammer (OFC) er presise laserlyskilder hvis spektre består av en serie med frekvenslinjer med lik avstand-som ligner tennene til en kam. Som svært nøyaktige linjaler for måling av optiske frekvenser har OFC-er revolusjonert presisjonsmåling og metrologi siden utviklingen på slutten av 1990-tallet. En av de viktigste egenskapene som er muliggjort av OFC-er, er overføring av spektral renhet. Det refererer til evnen til en OFC til å overføre den spektrale renheten-frekvensstabiliteten og den smale linjebredden-til en lyskilde til en annen som opererer ved en annen bølgelengde.

I en implementering med ultralav-støy (patentert av Menlo Systems¹), bevarer overføring av spektral renhet egenskapene til ultrastabile optiske referansesystemer over hele kamspekteret, inkludert frekvens-konverterte utganger som spenner over de synlige til de midt-infrarøde spektralområdene.

Introduksjon til optiske frekvenskammer

En OFC er en laserkilde hvis optiske spektrum består av en serie diskrete frekvenslinjer med lik- avstand. I frekvensdomenet ligner denne vanlige strukturen på tennene til en kam. OFC-er genereres oftest ved hjelp av ultrakorte, modelllåste lasere (se fig . 1 øverst). Modelocking er en teknikk der de langsgående modusene til et laserhulrom tvinges til å oscillere med et fast faseforhold. Følgelig sender laseren ut en serie ultrakorte optiske pulser. Den sirkulerende pulsen forplanter seg frem og tilbake inne i laserresonatoren med en repetisjonshastighetf_rep, som bestemmes av caviteten tur-retur-tid. Under hver rundtur trekkes en liten mengde pulsenergi ut via et delvis transmissivt speil for å danne laserutgangen. I tidsdomenet vises denne utgangen som et vanlig pulstog, og i frekvensdomenet tilsvarer det en kam av ekvidistante spektrallinjer (se fig. 1, nederst).

På grunn av spredning i laserhulrommet avviker gruppehastigheten til pulsomhylningen vanligvis fra fasehastigheten til den optiske bæreren. Dette misforholdet resulterer i et gradvis faseskiftΔφav bærebølgen i forhold til pulsomhyllingen fra en rundtur til den neste. Dette fenomenet blir referert til som bærer-konvoluttfaseforskyvning (se fig. 1, nede til venstre).

Ideelt sett, i fravær av støy og eksterne forstyrrelser, innebærer Fourier-forholdet mellom tids- og frekvensdomenene at et strengt periodisk pulstog tilsvarer et diskret sett med like fordelte frekvensmoduser (se fig . 1, nede til høyre).

I frekvensdomenet, de enkelte kamlinjerν_n er gitt av:

v_n = nf_rep + f_{administrerende direktør},

hvorner en heltallsmodusindeks,f_reper pulsrepetisjonsfrekvensen, ogf_{administrerende direktør}angir transportør-konvoluttforskyvningsfrekvensen. Hele kamspekteret forskyves medf_{administrerende direktør}som et resultat av faseglidningen fra puls-til-pulsbærer-, mens avstanden mellom tilstøtende linjer utelukkende bestemmes avf_rep. I praksis både repetisjonsfrekvensenf_repog frekvensen for forskyvning av-bærerkonvoluttenf_{administrerende direktør} må både måles og aktivt stabiliseres for at en ultrarask pulserende laser skal fungere som en OFC. Målingen avf_reper relativt grei, fordi den vanligvis ligger innenfor området fra titalls megahertz til noen få gigahertz og kan oppdages ved hjelp av en rask fotodiode. Stabilisering av repetisjonshastigheten oppnås ved å lukke en tilbakemeldingssløyfe på aktuatorer som muliggjør effektive justeringer av hulromslengden. I motsetning til å måle og kontrolleref_{administrerende direktør}er betydelig mer kompleks og representerte en stor utfordring i den tidlige utviklingen av OFC-teknologi.

Differens-frekvensgenerering (DFG) frekvenskammer

Historisk sett var en av de tidlige strategiene for å håndtere bærer-konvoluttforskyvningsfrekvensen et optisk opplegg som helt unngår behovet for eksplisitt måling og kontroll. Dette oppnås ved å bruke den iboende bærerkonvolutten fasestabile ikke-lineære prosessen til DFG for å lage en kopi av det originale laserpulstoget, noe som resulterer i et gjennomsnitt f_{administrerende direktør}verdien av null (<f_{administrerende direktør}>= 0). I slike DFG-baserte OFC-er blandes to distinkte spektrale komponenter som stammer fra samme laseroscillator (vanligvis etter spektral utvidelse i ikke-lineære fibre) i en ikke-lineær krystall. I et ideelt tilfelle vil begge komponentene bære det sammef_{administrerende direktør}, så å trekke fra frekvensene deres vil oppheve forskyvningen for å produsere en «offset-gratis OFC». Fra et rent teknisk synspunkt tilbyr offset-gratis OFC enkelhet ved å kreve bare én kontrollsløyfe: Deres eneste kontrollvariabel er repetisjonsfrekvensenf_rep. Men dette kommer med en avveining: En forventningsverdi<f_{administrerende direktør}>= 0 antyder ikke det generelle fraværet avf_{administrerende direktør}fasestøy. Med andre ord, mens DFG-prosessen fjerner den gjennomsnittlige forskyvningen, undertrykker den ikke usammenhengende støy forbundet medf_{administrerende direktør} (se fig. 2). I stedet har DFG-baserte OFC-er vist seg å vise kvadratisk skalering av fasestøy med frekvens, beskrevet av en "elastisk tape"-modell med et fikspunkt ved null frekvens.²

I ettertid er det verdt å merke seg at teknikken for å generere offset-frie frekvenskammer via DFG opprinnelig ble patentert av Max Planck Society,³og i løpet av de første dagene av OFC-kommersialiseringen ble den eksklusivt lisensiert til Menlo Systems. Metoden er fortsatt svært fordelaktig for generering av frekvens-kamstråling ved ellers vanskelig--tilgjengelige bølgelengder, og det er grunnen til at vi fortsetter å bruke DFG for å utvide spektral dekning til middels-infrarødt og utover.

Egen-referert frekvenskammer

Etter utviklingen av de første praktiske kamsystemene, muliggjorde fremskritt innen ikke-lineære optiske fibre pålitelig deteksjon av bærer-konvoluttforskyvning. Disse utviklingene tillot den relativt enkle og effektive genereringen av oktav-spennende kammer; dvs. frekvenskammer som dekker et frekvensområde på mer enn det dobbelte av deres laveste frekvens. Med oktav-omspennende kamspektre tilgjengelig, kan bærebølge-konvoluttforskyvningsfrekvensen karakteriseres ved å bruke en enkel selvreferansemetode. Denne metoden er avhengig av et interferometer som heterodynerer to distinkte deler av kamspekteret: En kammodus med indeksni den røde enden av spekteret

v_n = nf_rep + f_{administrerende direktør}

sendes gjennom en ikke-lineær krystall for å generere sin andre harmoniske

2v_n = 2(nf_rep + f_{administrerende direktør}),

som er forskjøvet med to ganger offsetfrekvensen. Dette frekvens-doblede signalet blir deretter slått mot en kammodus med indeks 2n

v_2n = 2nf_rep + f_{administrerende direktør}.

Slagnoten mellom disse to frekvensene avslører direkte frekvensen for forskyvning av bærebølge-konvolutten:

2v_n − v_2n = f_{administrerende direktør}.

Denne "f–2f"-metoden er intet mindre enn en landemerkeprestasjon innen OFC-teknologi fordi den muliggjør direkte måling av bærebølge-konvoluttforskyvningsfrekvensen. Spesielt støtter den implementeringen av dedikerte aktive spredningskontrollaktuatorer inne i laserhulen for ultralav støystabilisering og kontroll avf_{administrerende direktør}(se fig. 3).

Spektral renhetsoverføring

Effektiv kontroll og stabilisering av en optisk frekvenskams frihetsgrader-dens repetisjonsfrekvens så vel som dens bærer-omhyllingsfrekvens-er avgjørende for presisjonsapplikasjoner, som krever linjebredder og stabiliteter langt utover det som kan oppnås med gratis-se Fig{4b} (se Fig{4}). Den allestedsnærværende tilnærmingen er å etablere en optisk lås; dvs. å overføre spektralrenheten levert av en ekstern optisk referanse til en av frekvenskamlinjene. Menlo Systems' optiske referansesystemer oppnår rutinemessig sub-linjebredder sammen med utmerket frekvensstabilitet. De kombinerer en enkelt-modus kontinuerlig-bølgelaser (CW), et optisk referansehulrom med høy-finesse og de tilhørende optiske og elektroniske låsekomponentene-alt konstruert for å gi høy følsomhet og bred låsebåndbredde.⁴Det konvensjonelle oppsettet for å låse en OFC til en ekstern optisk referanse er illustrert i figur 4b. En slik reguleringssløyfe for repetisjonshastighet er avhengig av å detektere en slagtone mellom CW-referanselaseren og en av kamtennene, måle eventuell frekvensdrift, og påføre tilbakemelding til kammens repetisjonsfrekvensaktuator tilsvarende.

Avgjørende, selv om ordningen stabiliserer den valgte kamtannen, er det bare avstanden mellom referanselaseren og den enkelte kamlinjen som virkelig er fast: Fordi repetisjonshastighetsaktuatoren gir kontroll over bare én frihetsgrad, påvirker den først og fremst kamlinjer nær låsepunktet. Følgelig øker linjebredden og fasestøyen med spektral avstand fra den optiske referansen. Denne begrensningen er iboende for låseskjemaet og uavhengig av kamarkitekturen: Enten en forskjøvet-fri eller en selv-referert kam, når den låses via repetisjonsfrekvensen alene, vil den spektrale renheten uunngåelig degraderes jo lenger unna en kamlinje er fra de eksterne optiske referansene, og forlate den virtuelle RF-verdien{4} ufravikelig. Snarere, som illustrert i figur 4c, krever overføring av spektral renhet over hele frekvenskamspekteret komplementering av repetisjonshastighetsaktuatoren med en andre kontrollsløyfe for bærebølge-omhyllingsfrekvensen (f_{administrerende direktør}). Engasjerende en slikf_{administrerende direktør}tilbakemeldingssløyfe utfører tre viktige oppgaver: Låsingf_{administrerende direktør}ved en valgt verdi, undertrykker dens koherente og usammenhengende støy, og reduserer fasestøy over alle kamtenner som er fjernt fra den eksterne optiske referansen. Def_{administrerende direktør}aktivering virker symmetrisk på spekteret i den forstand at den har minimal innflytelse på kamlinjer nær den optiske referansen, men påvirker sterkt alle kamlinjer langt unna det, inkludert både de optiske så vel som de virtuelle i RF-domenet. Samlet sett kan den raske sløyfen for frekvenskontroll for bærebølge-konvoluttforskyvning oppfattes som en aktuator som komplementerer aktuatoren for repetisjonsfrekvens-for å låse den andre frihetsgraden til en OFC.

Menlo Systems' doble aktiveringsdesign muliggjør ekte spektral renhetsoverføring-nøyaktig replikerer den spektrale renheten til en optisk referanse over hver eneste kamlinje. Som illustrert i figur 5, opprettholdes den spektrale renheten også gjennom frekvenskonverteringsstadiene, inkludert frekvensskifting, andre-harmonisk generering eller superkontinuumgenerering.

Søkelys: Optiske atomklokker

Menlo Systems' ultralave-støyteknologi gir presisjon over hele spekteret, og fremmer applikasjoner som krever den mest presise ytelsen, for eksempel optiske atomklokker. På dette feltet muliggjorde OFC-ene våre overføring av verdens mest presise optiske referanser til verdens mest presise optiske klokker, høy-nøyaktighet på tvers av-artsklokkesammenligninger, samt lang-spredning av optiske klokkesignaler via fibernettverk.

Overføring av ultimat presisjon

Som illustrert i figur 6, er optiske referansekaviteter oftest tilgjengelige i det nære-IR-bølgelengdeområdet (vanligvis rundt 1550 nm), hvor de tilbyr utmerket ytelse og høy pålitelighet til relativt lave kostnader. Ikke overraskende er dette bølgelengdeområdet også vert for de høyeste-referansehulrommene som er tilgjengelige. I banebrytende arbeid utført av et samarbeid mellom JILA (US) og Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; National Metrology Institute of Germany), demonstrerte et kryogent monokrystallinsk silisiumhulrom med silisiumspeil en brøkfrekvensustabilitet så lav som 4 × 10^-17på ett sekund, og en linjebredde på 5 mHz.⁵

Denne utviklingen er en tidoblet forbedring i forhold til-status i--teknikkens ultralavt ekspansjonsglass (ULE) hulrom ved romtemperatur. For å overføre denne uovertrufne stabiliteten og linjebredden fra kavitetens operasjonelle bølgelengde ved 1542 nm til det synlige spektralområdet for en rekord-optisk strontiumgitterklokke operert ved 698 nm,⁶forskere stoler på Menlo Systems sin ultralave-støyfrekvens-kamteknologi (parallelt utviklet vi det kryogene hulrommet til vår modell ORS-ULN).

Klokke-til-sammenligning

Selv om den nåværende definisjonen av den andre som er avhengig av 9,2 GHz hyperfine overgangen innen cesium har stått i mer enn et halvt århundre, er et globalt samarbeid i gang for å redefinere SI-standarden ved å bruke ultrasmale optiske overganger inne i kalde atomer og fangede ioner. Følgelig blir optiske klokker basert på et bredt spekter av atomarter utforsket som kandidater. For å evaluere disse nye standardene, må forskjellige optiske klokker sammenlignes med hverandre på høyeste presisjonsnivå (se fig . 6), men overgangsfrekvensene deres kan variere med hundrevis av terahertz, og det gjør enhver direkte elektronisk måling umulig.

Som nylig arbeid viser, kan disse frekvensgapene bygges bro med høyeste presisjon via overføring av spektral renhet: Menlo Systems' OFC-er med ultralav-støy muliggjør sammenligning av-arter ved 10^-18nivå og utover.⁷I denne sammenhengen er spektral-renhetsoverføring en fremtidssikker-funksjon som kreves for ethvert optisk klokkelaboratorium, fordi det gir muligheten til å undersøke ulike atomarter mens man trygt stoler på én enkelt kilde for å referere til frekvenskammen.

Formidling via fibernett

Mens banebrytende eksperimenter baner vei for transportable optiske klokker, forblir dagens mest presise klokker stasjonære installasjoner som drives av ekspertteam ved nasjonale metrologiinstitutter, forskningsanlegg og universiteter. På den annen side er sammenligninger på lang-avstand og spredning av ultrastabile klokkesignaler bare mulig via telekombåndet. Dette medfører en utfordring for nettverksapplikasjoner, fordi OFC-er som er låst til en optisk klokkeovergang, vanligvis ikke lett kan kommunisere med fibernettverk eller muliggjøre distribusjon av referansesignaler til andre nettsteder.

Utfordringen kommer fra den kombinerte effekten av fasestøyskalering i konvensjonelle frekvenskammer og spektralgapet mellom de optiske klokkeovergangene og telekommunikasjonsbåndet. Som illustrert i figur 6, overvinner overføring av spektral renhet denne barrieren for å muliggjøre både klokkesammenligninger på lang avstand så vel som spredning av ultrastabile referanser til laboratorier som ikke driver sine egne optiske klokker. Denne muligheten åpner for et bredt spekter av spennende vitenskapelige muligheter-inkludert fremskritt innen kvanteteknologi, høy-geodesi, astronomi, navigasjon og tester av grunnleggende fysikk.^8,9