Optyczne grzebienie częstotliwości: transfer czystości widmowej

Optyczne grzebienie częstotliwości (OFC) to precyzyjne źródła światła laserowego, których widma składają się z szeregu równomiernie-odległych linii częstotliwości przypominających zęby grzebienia. Jako bardzo dokładne linijki do pomiaru częstotliwości optycznych, OFC zrewolucjonizowały pomiary precyzyjne i metrologię od czasu ich opracowania pod koniec lat 90-tych. Jedną z najważniejszych możliwości oferowanych przez OFC jest transfer czystości widmowej. Odnosi się do zdolności OFC do przenoszenia czystości widmowej-stabilności częstotliwości i wąskiej szerokości linii-jednego źródła światła na drugie pracujące na innej długości fali.

W implementacji o bardzo niskim-szumu (opatentowanej przez Menlo Systems¹), transfer czystości widmowej pozwala zachować cechy ultrastabilnych optycznych systemów odniesienia w całym widmie grzebieniowym, w tym na sygnałach wyjściowych-z konwersją częstotliwości, obejmujących zakresy widma widzialnego i średniej-podczerwieni.

Wprowadzenie do optycznych grzebieni częstotliwości

OFC to źródło lasera, którego widmo optyczne składa się z szeregu dyskretnych, jednakowo-odległych linii częstotliwości. W dziedzinie częstotliwości ta regularna struktura przypomina zęby grzebienia. OFC są najczęściej generowane przy użyciu ultrakrótkich laserów z blokadą modelową (patrz rys.. 1, góra). Modellocking to technika, w której mody podłużne wnęki lasera są zmuszane do oscylacji ze stałą zależnością fazową. W rezultacie laser emituje serię ultrakrótkich impulsów optycznych. Krążący impuls rozchodzi się tam i z powrotem wewnątrz rezonatora laserowego z częstotliwością powtarzaniaf_rozpustnik, który jest określony na podstawie czasu-podróży w obie strony. Podczas każdej podróży w obie strony niewielka ilość energii impulsu jest pobierana przez częściowo przepuszczalne lustro w celu wytworzenia sygnału lasera. W dziedzinie czasu sygnał ten pojawia się jako regularny ciąg impulsów, a w dziedzinie częstotliwości odpowiada grzebieniu równoodległych linii widmowych (patrz rys.. 1 na dole).

Ze względu na dyspersję we wnęce lasera prędkość grupowa obwiedni impulsu różni się zwykle od prędkości fazowej nośnika optycznego. To niedopasowanie powoduje stopniowe przesunięcie fazoweΔφfali nośnej w odniesieniu do obwiedni impulsu z jednej podróży w obie strony do następnej. Zjawisko to nazywane jest przesunięciem fazy-obwiedni nośnej (patrz rys.. 1, lewy dolny róg).

W idealnym przypadku, przy braku szumu i zakłóceń zewnętrznych, zależność Fouriera między dziedziną czasu i częstotliwości oznacza, że ​​ściśle okresowy ciąg impulsów odpowiada dyskretnemu zbiorowi równomiernie rozmieszczonych modów częstotliwości (patrz rys.{0}}, u dołu po prawej).

W dziedzinie częstotliwości poszczególne linie grzebieniaν_n są podawane przez:

v_n = nf_rozpustnik + f_{dyrektor generalny},

Gdzienjest indeksem trybu całkowitego,f_rozpustnikjest częstotliwością powtarzania impulsów, orazf_{dyrektor generalny}oznacza częstotliwość-przesunięcia obwiedni nośnej. Całe widmo grzebienia jest przesunięte of_{dyrektor generalny}w wyniku przesunięcia fazowego-impulsu-nośniki impulsu-obwiedni, podczas gdy odstęp między sąsiednimi liniami jest określany wyłącznie przezf_rozpustnik. W praktyce zarówno częstotliwość powtarzaniaf_rozpustnikoraz częstotliwość-przesunięcia obwiedni nośnejf_{dyrektor generalny} muszą być zarówno mierzone, jak i aktywnie stabilizowane, aby ultraszybki laser impulsowy mógł działać jako OFC. Pomiarf_rozpustnikjest stosunkowo proste, ponieważ zwykle mieści się w zakresie od kilkudziesięciu megaherców do kilku gigaherców i można je wykryć za pomocą szybkiej fotodiody. Stabilizację częstotliwości powtarzania osiąga się poprzez zamknięcie pętli sprzężenia zwrotnego na siłownikach, co pozwala na efektywną regulację długości wnęki. Natomiast mierzenie i kontrolowanief_{dyrektor generalny}jest znacznie bardziej złożony i stanowił główne wyzwanie na wczesnym etapie rozwoju technologii OFC.

Grzebienie częstotliwości-generujące różnicę częstotliwości (DFG).

Historycznie rzecz biorąc, jedną z wczesnych strategii radzenia sobie z częstotliwością przesunięcia obwiedni nośnej był schemat optyczny, który całkowicie pozwala uniknąć konieczności jej wyraźnego pomiaru i kontroli. Osiąga się to za pomocą nieliniowego procesu DFG z naturalnie stabilną fazą obwiedni nośnej w celu stworzenia repliki oryginalnego ciągu impulsów laserowych, co skutkuje średnim f_{dyrektor generalny}wartość zerowa (<f_{dyrektor generalny}>= 0). W takich OFC-opartych na DFG dwie różne składowe widmowe pochodzące z tego samego oscylatora laserowego (zwykle po poszerzeniu widma w nieliniowych włóknach) są zmieszane w nieliniowym krysztale. W idealnym przypadku oba komponenty będą nosić to samof_{dyrektor generalny}, więc odjęcie ich częstotliwości zniesie przesunięcie i powstanie „bezprzesunięcia-wolny OFC”. Z czysto technicznego punktu widzenia OFC-bez offsetu oferują prostotę, ponieważ wymagają tylko jednej pętli sterowania: ich jedyną zmienną sterującą jest częstotliwość powtarzaniaf_rozpustnik. Wiąże się to jednak z kompromisem: wartością oczekiwaną<f_{dyrektor generalny}>= 0 nie oznacza ogólnego brakuf_{dyrektor generalny}szum fazowy. Innymi słowy, chociaż proces DFG usuwa średnie przesunięcie, nie tłumi związanego z nim niespójnego szumuf_{dyrektor generalny} (patrz rys.. 2). Zamiast tego wykazano, że OFC-oparte na DFG wykazują kwadratowe skalowanie szumu fazowego wraz z częstotliwością, opisane za pomocą modelu „elastycznej taśmy” z punktem stałym przy częstotliwości zerowej.²

Z perspektywy czasu warto zauważyć, że technika generowania offsetowych-swobodnych grzebieni częstotliwości za pośrednictwem DFG została pierwotnie opatentowana przez Towarzystwo Maxa Plancka,³a na początku komercjalizacji OFC licencja była wyłącznie dla Menlo Systems. Metoda ta jest nadal bardzo korzystna w przypadku generowania promieniowania-grzebieniowego o trudno dostępnych--falach fal, dlatego w dalszym ciągu używamy DFG do rozszerzenia zasięgu widma na środkową-podczerwień i dalej.

Samodzielnie-odnoszące się grzebienie częstotliwości

Po opracowaniu pierwszych praktycznych systemów grzebieniowych postęp w dziedzinie nieliniowych włókien optycznych umożliwił niezawodne wykrywanie-przesunięcia obwiedni nośnej. Zmiany te umożliwiły stosunkowo proste i wydajne generowanie-grzebieni obejmujących oktawy; tj. grzebienie częstotliwości obejmujące zakres częstotliwości większy niż dwukrotność najniższej częstotliwości. Mając dostępne widma grzebienia obejmującego oktawy, częstotliwość przesunięcia obwiedni nośnej można scharakteryzować za pomocą prostej metody-samoodniesienia. Metoda ta opiera się na interferometrze, który heterodynuje dwie odrębne części widma grzebieniowego: Tryb grzebieniowy ze wskaźnikiemnna czerwonym końcu widma

v_n = nf_rozpustnik + f_{dyrektor generalny}

jest przesyłany przez nieliniowy kryształ w celu wygenerowania drugiej harmonicznej

2v_n = 2(nf_rozpustnik + f_{dyrektor generalny}),

która jest przesunięta o dwukrotność częstotliwości przesunięcia. Ten sygnał o-podwojonej częstotliwości jest następnie porównywany z trybem grzebieniowym o indeksie 2n

v_2n = 2nf_rozpustnik + f_{dyrektor generalny}.

Nuta dudnienia pomiędzy tymi dwiema częstotliwościami bezpośrednio ujawnia-częstotliwość przesunięcia obwiedni nośnej:

2v_n − v_2n = f_{dyrektor generalny}.

Ta metoda „f–2f” jest po prostu przełomowym osiągnięciem technologii OFC, ponieważ umożliwia bezpośredni pomiar częstotliwości przesunięcia obwiedni nośnej. W szczególności wspiera wdrażanie dedykowanych siłowników kontroli aktywnej dyspersji wewnątrz wnęki lasera w celu stabilizacji i kontroli ultraniskiego poziomu szumówf_{dyrektor generalny}(patrz rys.. 3).

Transfer czystości widmowej

Skuteczna kontrola i stabilizacja stopni swobody grzebienia częstotliwości optycznych-jego częstotliwości powtarzania, a także częstotliwości nośnej-przesunięcia obwiedni-są kluczowe w zastosowaniach precyzyjnych, które wymagają szerokości linii i stabilności znacznie wykraczających poza te osiągalne w przypadku dowolnego-swobodnie pracującego grzebienia (patrz rys.. 4a). Powszechnie stosowanym podejściem jest ustanowienie blokady optycznej; tj. do przeniesienia czystości widmowej dostarczanej przez zewnętrzne odniesienie optyczne do jednej z linii grzebienia częstotliwości. Optyczne systemy odniesienia Menlo Systems rutynowo osiągają szerokość linii poniżej-herców w połączeniu z doskonałą stabilnością częstotliwości. Łączą w sobie laser jednomodowy-z falą ciągłą (CW),-wyrafinowaną optyczną wnękę referencyjną oraz powiązane optyczne i elektroniczne elementy blokujące,-a wszystkie zaprojektowane tak, aby zapewniać wysoką czułość i szerokie pasmo blokowania.⁴Konwencjonalną konfigurację blokowania OFC do zewnętrznego odniesienia optycznego pokazano na rysunku 4b. Taka pętla kontroli częstotliwości powtarzania polega na wykryciu nuty dudnienia pomiędzy laserem odniesienia CW a jednym z zębów grzebienia, zmierzeniu dryftu częstotliwości i odpowiednim przekazaniu informacji zwrotnej do siłownika szybkości powtarzania grzebienia.

Co najważniejsze, chociaż schemat stabilizuje wybrany ząb grzebienia, tak naprawdę stały jest tylko odstęp między laserem referencyjnym a pojedynczą linią grzebienia: ponieważ siłownik częstotliwości powtarzania zapewnia kontrolę tylko nad jednym stopniem swobody, wpływa on przede wszystkim na linie grzebienia w pobliżu punktu blokowania. W konsekwencji szerokość linii i szum fazowy rosną wraz z odległością widmową od optycznego odniesienia. To ograniczenie jest nieodłącznie związane ze schematem blokowania i niezależne od architektury grzebienia: niezależnie od tego, czy jest to grzebień-wolny od przesunięcia, czy grzebień-z samoodniesieniem, gdy jest zablokowany wyłącznie poprzez częstotliwość powtarzania, czystość widmowa nieuchronnie ulegnie pogorszeniu w miarę oddalania się linii grzebienia od zewnętrznego odniesienia optycznego i pozostawi linie grzebienia wirtualnej domeny RF-w zasadzie niezmienione. Zamiast tego, jak pokazano na rysunku 4c, transfer czystości widmowej w całym widmie grzebienia częstotliwości wymaga uzupełnienia elementu wykonawczego częstotliwości powtarzania drugą pętlą sterowania dla częstotliwości przesunięcia obwiedni nośnej (f_{dyrektor generalny}). Zaangażowanie takief_{dyrektor generalny}pętla sprzężenia zwrotnego spełnia trzy podstawowe zadania: Blokowanief_{dyrektor generalny}przy wybranej wartości, tłumiąc jego spójny i niespójny szum oraz redukując szum fazowy na wszystkich zębach grzebienia, które są oddalone od zewnętrznego odniesienia optycznego. Thef_{dyrektor generalny}aktywacja działa symetrycznie na widmo w tym sensie, że ma minimalny wpływ na linie grzebienia w pobliżu optycznego odniesienia, ale silnie wpływa na wszystkie linie grzebienia daleko od niego, w tym zarówno optyczne, jak i wirtualne w domenie RF-. Ogólnie rzecz biorąc, szybką pętlę sterowania częstotliwością-przesunięcia obwiedni nośnej można postrzegać jako element wykonawczy uzupełniający element wykonawczy częstości powtarzania-w celu blokowania drugiego stopnia swobody OFC.

Konstrukcja podwójnego uruchamiania Menlo Systems umożliwia prawdziwy transfer czystości widmowej-, precyzyjnie odwzorowując czystość widmową optycznego odniesienia w każdej pojedynczej linii grzebienia. Jak pokazano na rysunku 5, czystość widmowa jest również utrzymywana na wszystkich etapach konwersji częstotliwości, w tym podczas przesuwania częstotliwości, generowania drugiej-harmonicznej lub generowania superkontinuum.

Główne zastosowanie: Optyczne zegary atomowe

Technologia ultraniskiego{{0}szumowania firmy Menlo Systems zapewnia precyzję w całym spektrum, usprawniając aplikacje wymagające najbardziej precyzyjnego działania, takie jak optyczne zegary atomowe. W tej dziedzinie nasze OFC umożliwiły transfer najdokładniejszych na świecie odniesień optycznych do najprecyzyjniejszych zegarów optycznych na świecie,-dokładne porównania zegarów między-gatunkami, a także rozpowszechnianie-optycznych sygnałów zegara na duże odległości za pośrednictwem sieci światłowodowych.

Przenoszenie najwyższej precyzji

Jak pokazano na rysunku 6, optyczne wnęki referencyjne są najczęściej dostępne w zakresie długości fal bliskiej-IR (zwykle około 1550 nm), gdzie zapewniają doskonałą wydajność i wysoką niezawodność przy porównywalnie niskim koszcie. Nic więc dziwnego, że w tym zakresie fal znajdują się również-najlepsze dostępne obecnie wnęki referencyjne. W przełomowych pracach prowadzonych wspólnie przez JILA (USA) i Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; Narodowy Instytut Metrologii w Niemczech) kriogeniczna wnęka z monokrystalicznego krzemu z krzemowymi zwierciadłami wykazała ułamkową niestabilność częstotliwości wynoszącą zaledwie 4 × 10^-17w ciągu jednej sekundy i szerokości linii 5 MHz.⁵

To osiągnięcie stanowi dziesięciokrotny postęp w porównaniu z-najnowocześniejszymi--komórkami ze szkła o ultraniskiej rozszerzalności (ULE) w temperaturze pokojowej. Aby przenieść tę niezrównaną stabilność i szerokość linii z roboczej długości fali wnęki przy 1542 nm do zakresu widma widzialnego dla rekordowego-zegara optycznej sieci strontu działającego przy 698 nm,⁶badacze polegają na technologii grzebieni częstotliwości-o ultraniskim poziomie szumów firmy Menlo Systems (równolegle opracowaliśmy komorę kriogeniczną w naszym modelu ORS-ULN).

Porównanie zegara-z-zegarem

Chociaż obecna definicja sekundy, która opiera się na przejściu nadsubtelnym o częstotliwości 9,2 GHz w cezie, obowiązuje od ponad pół wieku, trwają globalne wspólne wysiłki mające na celu ponowne zdefiniowanie standardu SI z wykorzystaniem ultrawąskich przejść optycznych wewnątrz zimnych atomów i uwięzionych jonów. W związku z tym jako kandydatów badane są zegary optyczne oparte na szerokiej gamie gatunków atomów. Aby ocenić te nowe standardy, należy porównać ze sobą różne zegary optyczne z najwyższą precyzją (patrz rys.. 6), ale ich częstotliwości przejścia mogą różnić się o setki teraherców, co uniemożliwia jakikolwiek bezpośredni pomiar elektroniczny.

Jak pokazują ostatnie prace, te luki w częstotliwościach można wypełnić z najwyższą precyzją poprzez transfer czystości widmowej: OFC firmy Menlo Systems o ultraniskim-szumach umożliwiają między-gatunkowe porównywanie zegarów przy 10^-18poziom i nie tylko.⁷W tym kontekście widmowy transfer czystości-jest przyszłościową-funkcją wymaganą w każdym laboratorium zajmującym się zegarami optycznymi, ponieważ zapewnia możliwość badania różnych rodzajów atomów przy jednoczesnym zaufaniu do jednego źródła odniesienia dla grzebienia częstotliwości.

Rozpowszechnianie poprzez sieci światłowodowe

Podczas gdy pionierskie eksperymenty torują drogę do przenośnych zegarów optycznych, dzisiejsze najbardziej precyzyjne zegary pozostają instalacjami stacjonarnymi obsługiwanymi przez zespoły ekspertów w krajowych instytutach metrologicznych, placówkach badawczych i uniwersytetach. Z drugiej strony porównania-na duże odległości i rozpowszechnianie ultrastabilnych sygnałów zegarowych są możliwe tylko za pośrednictwem pasma telekomunikacyjnego. Stanowi to wyzwanie dla zastosowań sieciowych, ponieważ OFC ograniczone do zmiany zegara optycznego zazwyczaj nie mogą łatwo łączyć się z sieciami światłowodowymi ani umożliwiać dystrybucji sygnałów referencyjnych do innych lokalizacji.

Wyzwanie wynika z połączonego efektu skalowania szumu fazowego w konwencjonalnych grzebieniach częstotliwości i przerwy widmowej pomiędzy przejściami zegara optycznego a pasmem telekomunikacyjnym. Jak pokazano na rysunku 6, transfer czystości widmowej pokonuje tę barierę, umożliwiając zarówno-porównania zegarów na duże odległości, jak i rozpowszechnianie ultrastabilnych referencji do laboratoriów, które nie obsługują własnych zegarów optycznych. Ta funkcja otwiera szeroką gamę ekscytujących możliwości naukowych,-w tym postęp w technologiach kwantowych,-precyzyjnej geodezji, astronomii, nawigacji i testach z zakresu fizyki podstawowej.^8,9