Optiset taajuuskammat: Spektripuhtauden siirto

Optiset taajuuskammat (OFC) ovat tarkkoja laservalonlähteitä, joiden spektrit koostuvat sarjasta tasavälein -sijoittuneita taajuusjuovia, jotka muistuttavat kamman hampaita. OFC:t ovat erittäin tarkkoja optisten taajuuksien mittaamiseen tarkoitettuja viivoja, jotka ovat mullistaneet tarkkuusmittauksen ja metrologian 1990-luvun lopulla tapahtuneen kehityksensä jälkeen. Yksi tärkeimmistä OFC:iden mahdollistamista ominaisuuksista on spektrin puhtauden siirto. Se viittaa OFC:n kykyyn siirtää yhden valonlähteen spektrin puhtaus-taajuuden stabiilisuus ja kapea viivanleveys- toiseen, joka toimii eri aallonpituudella.

Ultralow{0}}kohinatoteutus (patentoitu Menlo Systemsillä¹), spektrin puhtauden siirto säilyttää ultrastabiilien optisten referenssijärjestelmien ominaisuudet koko kampaspektrillä, mukaan lukien taajuus{0}}muunnetut lähdöt, jotka kattavat näkyvän infrapunaspektrialueen keski-.

Johdatus optisiin taajuuskampoihin

OFC on laserlähde, jonka optinen spektri koostuu sarjasta erillisiä, tasavälein{0}}ja taajuusjuovia. Taajuusalueella tämä säännöllinen rakenne muistuttaa kamman hampaita. OFC:t luodaan yleisimmin käyttämällä ultralyhyitä, modelukittuja lasereita (katso kuva. 1, ylhäältä). Modelocking on tekniikka, jossa laserontelon pituussuuntaiset tilat pakotetaan värähtelemään kiinteällä vaihesuhteella. Tämän seurauksena laser lähettää sarjan ultralyhyitä optisia pulsseja. Kiertävä pulssi etenee edestakaisin laserresonaattorin sisällä toistotaajuudellaf_rep, joka määräytyy onkalon kierto-matka-ajan mukaan. Jokaisen edestakaisen matkan aikana pieni määrä pulssienergiaa uutetaan osittain läpäisevän peilin kautta laserulostulon muodostamiseksi. Aikatasolla tämä lähtö näkyy tavallisena pulssijonona ja taajuusalueella se vastaa yhtä kaukana olevien spektriviivojen kampaa (katso kuva. 1, alaosa).

Laserontelossa tapahtuvasta dispersiosta johtuen pulssin verhokäyrän ryhmänopeus poikkeaa yleensä optisen kantoaallon vaihenopeudesta. Tämä epäsopivuus johtaa asteittaiseen vaihesiirtoonΔφkantoaallon suhteen pulssin verhokäyrään yhdestä edestakaisesta matkasta toiseen. Tätä ilmiötä kutsutaan kantoaallon-verhokäyrän vaihesiirroksi (katso kuva. 1, vasen alakulma).

Ihannetapauksessa, kun kohinaa ja ulkoisia häiriöitä ei ole, Fourier-suhde aika- ja taajuusalueiden välillä tarkoittaa, että tiukasti jaksollinen pulssijono vastaa erillistä sarjaa tasaisin välein olevia taajuustiloja (katso kuva. 1, oikealla).

Taajuusalueella yksittäiset kampalinjatν_n antavat:

v_n = nf_rep + f_{toimitusjohtaja},

jossanon kokonaislukumoodin indeksi,f_repon pulssin toistotaajuus jaf_{toimitusjohtaja}ilmaisee kantoaallon-verhokäyräpoikkeamataajuutta. Koko kampaspektri on siirtynytf_{toimitusjohtaja}pulssi---pulssikantoaallon-verhokäyrän vaiheluiston seurauksena, kun taas vierekkäisten rivien välisen etäisyyden määrää yksinomaanf_rep. Käytännössä sekä toistotaajuusf_repja kantoaallon-verhokäyräsiirtymätaajuusf_{toimitusjohtaja} on sekä mitattava että aktiivisesti stabiloitava, jotta ultranopea pulssilaseri toimisi OFC:nä. Mittausf_repon suhteellisen yksinkertainen, koska se on tyypillisesti kymmenien megahertsien ja muutaman gigahertsin välillä ja se voidaan havaita nopealla valodiodilla. Toistonopeuden stabilointi saavutetaan sulkemalla toimilaitteiden takaisinkytkentäsilmukka, joka mahdollistaa tehokkaan ontelon pituuden säädön. Sen sijaan mittaamalla ja ohjaamallaf_{toimitusjohtaja}on huomattavasti monimutkaisempi ja se oli suuri haaste OFC-teknologian varhaisessa kehittämisessä.

Erotus{0}}taajuuden generointi (DFG) -taajuuden kammat

Historiallisesti yksi varhaisista strategioista kantoaallon-verhokäyrän siirtymätaajuuden käsittelemiseksi oli optinen menetelmä, joka välttää sen nimenomaisen mittauksen ja ohjauksen kokonaan. Tämä saavutetaan käyttämällä DFG:n luontaisesti kantoaallon verhokäyrän stabiilia epälineaarista prosessia, jolla luodaan kopio alkuperäisestä laserpulssijonosta, mikä johtaa keskiarvoon. f_{toimitusjohtaja}arvo nolla (<f_{toimitusjohtaja}>= 0). Tällaisissa DFG--pohjaisissa OFC:issä kaksi erillistä spektrikomponenttia, jotka ovat peräisin samasta laseroskillaattorista (tyypillisesti epälineaaristen kuitujen spektrin levenemisen jälkeen), sekoitetaan epälineaarisessa kiteessä. Ihannetapauksessa molemmat komponentit kantavat samanf_{toimitusjohtaja}, joten niiden taajuuksien vähentäminen kumoaa offsetin ja tuottaa "offset{0}}ilmaisen OFC:n". Puhtaasti teknisestä näkökulmasta offset{2}}ilmaiset OFC:t tarjoavat yksinkertaisuutta vaatimalla vain yhden säätösilmukan: Niiden ainoa ohjausmuuttuja on toistotaajuusf_rep. Mutta tähän liittyy kompromissi: odotusarvo<f_{toimitusjohtaja}>= 0 ei tarkoita yleistä poissaoloaf_{toimitusjohtaja}vaihekohina. Toisin sanoen, vaikka DFG-prosessi poistaa keskimääräisen poikkeaman, se ei vaimenna epäkoherenttia kohinaa, joka liittyyf_{toimitusjohtaja} (katso kuva. 2). Sen sijaan DFG-pohjaisten OFC:iden on osoitettu osoittavan vaihekohinan neliöskaalausta taajuudella, jota kuvataan "kimmonauha"-mallilla, jonka kiinnityspiste on nollataajuudella.²

Jälkeenpäin ajateltuna on syytä huomata, että Max Planck Society patentoi alun perin tekniikan, jolla luodaan offset{0}}vapaita taajuuksia DFG:n kautta.³ja OFC:n kaupallistamisen alkuaikoina se oli yksinoikeudella lisensoitu Menlo Systemsille. Menetelmä on edelleen erittäin edullinen taajuus-kampasäteilyn tuottamiseen muutoin vaikeasti-saatettavilla-aallonpituuksilla, minkä vuoksi jatkamme DFG:n käyttöä laajentaaksemme spektrin peittoa keski-infrapunaan ja sen ulkopuolelle.

Itse{0}}viittaavat taajuuskammat

Ensimmäisten käytännöllisten kampajärjestelmien kehittämisen jälkeen epälineaaristen optisten kuitujen kehitys mahdollisti luotettavan kantoaallon{0}}verhokäyräsiirtymän havaitsemisen. Nämä kehitystyöt mahdollistivat suhteellisen yksinkertaisen ja tehokkaan oktaavi-kammat; eli taajuuskammat, jotka kattavat taajuusalueen, joka on yli kaksi kertaa alhaisimman taajuutensa verran. Kun käytettävissä on oktaavi-kattava kampaspektri, kantoaallon-verhokäyrän poikkeamataajuutta voidaan luonnehtia käyttämällä yksinkertaista itse-viittausmenetelmää. Tämä menetelmä perustuu interferometriin, joka heterodynoi kampaspektrin kaksi erillistä osaa: Kampatila indeksillänspektrin punaisessa päässä

v_n = nf_rep + f_{toimitusjohtaja}

lähetetään epälineaarisen kiteen läpi muodostamaan sen toinen harmoninen

2v_n = 2(nf_rep + f_{toimitusjohtaja}),

jota siirretään kaksinkertaisella siirtymätaajuudella. Tämä taajuuden-kaksoissignaali lyödään sitten kampatilaa vastaan ​​indeksillä 2n

v_2n = 2nf_rep + f_{toimitusjohtaja}.

Näiden kahden taajuuden välinen lyöntinuotti paljastaa suoraan kantoaallon{0}}verhokäyrän siirtymätaajuuden:

2v_n − v_2n = f_{toimitusjohtaja}.

Tämä "f–2f"-menetelmä on OFC-tekniikan maamerkki, koska se mahdollistaa kantoaallon-verhokäyrän siirtymätaajuuden suoran mittauksen. Erityisesti se tukee erityisten aktiivisten dispersion ohjaustoimilaitteiden käyttöönottoa laserontelon sisällä erittäin alhaisen kohinan stabiloimiseksi jaf_{toimitusjohtaja}(katso kuva. 3).

Spektripuhtauden siirto

Optisen taajuuden kamman vapausasteiden tehokas ohjaus ja vakaus-sen toistotaajuus sekä sen kantoaalto-verhokäyrän siirtymätaajuus-ovat ratkaisevan tärkeitä tarkkuussovelluksissa, jotka vaativat viivanleveyksiä ja vakautta, joka on paljon suurempia kuin mitä voidaan saavuttaa millä tahansa vapaalla{{3}käytävällä kampalla (katso kuva. 4a). Kaikkialla läsnä oleva lähestymistapa on luoda optinen lukko; eli siirtää ulkoisen optisen referenssin tuottama spektripuhtaus johonkin taajuuden kampajuovista. Menlo Systemsin optiset referenssijärjestelmät saavuttavat rutiininomaisesti sub-hertsin viivaleveydet ja erinomaiset taajuusstabiilit. Niissä yhdistyvät yksimuotoinen jatkuvan⁴Perinteinen asetus OFC:n lukitsemiseksi ulkoiseen optiseen referenssiin on esitetty kuvassa 4b. Tällainen toistotaajuuden säätösilmukka perustuu lyöntinuotin havaitsemiseen CW-referenssilaserin ja yhden kamman hampaan välillä, mahdollisen taajuuden poikkeaman mittaamiseen ja takaisinkytkennän soveltamiseen kamman toistotaajuuden toimilaitteeseen.

Ratkaisevaa on, että vaikka malli stabiloi valitun kampahampaan, vain vertailulaserin ja yhden kampaviivan välinen etäisyys on todella kiinteä: Koska toistotaajuuden toimilaite ohjaa vain yhtä vapausastetta, se vaikuttaa ensisijaisesti kampalinjoihin lähellä lukituspistettä. Tämän seurauksena linjanleveys ja vaihekohina kasvavat spektrin etäisyyden myötä optisesta referenssistä. Tämä rajoitus on luontainen lukitusjärjestelmälle ja riippumaton kampaarkkitehtuurista: Olipa kyseessä offset-vapaa tai itse-viittaava kampa, kun se lukitaan pelkän toistotaajuuden kautta, spektrin puhtaus heikentää väistämättä mitä kauempana kampaviiva on ulkoisesta optisesta referenssistä, ja jättää virtuaalisen RF- olennaisesti ilman. Pikemminkin, kuten kuvassa 4c havainnollistetaan, spektrin puhtauden siirto koko taajuuskampaspektrin yli vaatii pikemminkin toistotaajuuden toimilaitteen täydentämistä toisella ohjaussilmukalla kantoaallon -verhokäyrän siirtymätaajuudelle (f_{toimitusjohtaja}). Osallistuminen sellaiseenf_{toimitusjohtaja}palautesilmukka suorittaa kolme olennaista tehtävää: Lukitusf_{toimitusjohtaja}valitulla arvolla, vaimentaen sen koherentin ja epäkoherentin kohinan ja vähentäen vaihekohinaa kaikissa kampahampaissa, jotka ovat etäällä ulkoisesta optisesta referenssistä. Thef_{toimitusjohtaja}aktivointi vaikuttaa spektriin symmetrisesti siinä mielessä, että sillä on minimaalinen vaikutus optisen referenssin lähellä oleviin kampalinjoihin, mutta se vaikuttaa voimakkaasti kaikkiin siitä kaukana oleviin kampaviivoihin, mukaan lukien sekä optiset että virtuaaliset RF--alueella. Kaiken kaikkiaan kantoaallon-verhokäyräsiirtymän taajuuden ohjauksen nopea silmukka voidaan nähdä toimilaitteena, joka täydentää toistotaajuuden toimilaitetta-, joka lukitsee OFC:n toisen vapausasteen.

Menlo Systemsin kaksoiskäyttörakenne mahdollistaa todellisen spektrin puhtauden siirron{0}}toistaen tarkasti optisen referenssin spektripuhtauden jokaisella kampaviivalla. Kuten kuvassa 5 havainnollistetaan, spektrin puhtaus säilyy myös taajuuden muunnosvaiheissa, mukaan lukien taajuuden siirto, toinen-harmoninen sukupolvi tai superjatkuvuuden generointi.

Sovelluskohdevalo: Optiset atomikellot

Menlo Systemsin ultralow{0}}noise-tekniikka tuottaa tarkkuutta koko spektrin alueella ja edistää sovelluksia, jotka vaativat tarkinta suorituskykyä, kuten optisia atomikelloja. Tällä alalla OFC:mme mahdollistivat maailman tarkimpien optisten referenssien siirtämisen maailman tarkimpiin optisiin kelloihin, korkean-tarkkuuden-lajien väliset kellovertailut sekä optisten kellosignaalien pitkän-etäisyyden levittämisen kuituverkkojen kautta.

Äärimmäisen tarkkuuden siirto

Kuten kuvasta 6 näkyy, optisia referenssionteloita on yleisimmin saatavilla lähi-IR-aallonpituuden alueella (tyypillisesti noin 1550 nm), missä ne tarjoavat erinomaisen suorituskyvyn ja korkean luotettavuuden suhteellisen alhaisilla kustannuksilla. Ei ole yllättävää, että tällä aallonpituusalueella on myös tehokkaimmat tällä hetkellä saatavilla olevat-referenssiontelot. JILAn (Yhdysvallat) ja Physikalisch{8}}Technische Bundesanstaltin (PTB; Saksan kansallinen metrologian instituutti) yhteistyössä tekemässä uraauurtavassa työssä piipeileillä varustetussa kryogeenisessä monokiteisessä piiontelossa osoitti niinkin alhaista taajuuden epävakautta kuin 4 × 10^-17yksi sekunti ja linjanleveys 5 MHz.⁵

Tämä kehitys on kymmenkertainen parannus--huippuluokan ultralow Expansion Glass (ULE) -onteloihin huoneenlämmössä verrattuna-. Tämän vertaansa vailla olevan vakauden ja viivanleveyden siirtämiseksi onkalon toiminta-aallonpituudesta 1542 nm:ssä näkyvälle spektrialueelle -ennätyksellisen strontiumoptisen hilakellon aallonpituudella 698 nm⁶tutkijat luottavat Menlo Systemsin ultralow{0}}melitaajuuskampatekniikkaan (samanaikaisesti suunnittelimme kryogeenisen ontelon malliamme ORS-ULN).

Kellon-vertailu-kelloon

Vaikka cesiumin sisällä olevaan 9,2 GHz:n hyperfine-siirtymään perustuvan toisen määritelmän nykyinen määritelmä on ollut voimassa yli puoli vuosisataa, meneillään on maailmanlaajuinen yhteistyö SI-standardin uudelleenmäärittämiseksi käyttämällä erittäin kapeita optisia siirtymiä kylmien atomien ja loukkuun jääneiden ionien sisällä. Niinpä optisia kelloja, jotka perustuvat monenlaisiin atomilajeihin, tutkitaan ehdokkaina. Näiden uusien standardien arvioimiseksi eri optisia kelloja on verrattava toisiinsa korkeimmalla tarkkuudella (katso kuva. 6), mutta niiden siirtymätaajuudet voivat vaihdella satoja terahertsejä ja se tekee suorasta elektronisesta mittauksesta mahdotonta.

Kuten viimeaikaiset työt osoittavat, nämä taajuusaukot voidaan kattaa erittäin tarkasti spektrin puhtauden siirron avulla: Menlo Systemsin ultralow{0}}kohine OFC:t mahdollistavat lajien välisen-kellon vertailun 10^-18tasolla ja sen yli.⁷Tässä yhteydessä spektrin-puhtauden siirto on tulevaisuuden-varma ominaisuus, jota tarvitaan kaikissa optisten kellojen laboratorioissa, koska se tarjoaa mahdollisuuden tutkia erilaisia ​​atomilajeja luottaen samalla luottavaisesti yhteen lähteeseen taajuuskampan viittauksessa.

Levitys kuituverkkojen kautta

Vaikka uraauurtavat kokeet valmistelevat tietä kuljetettaville optisille kelloille, nykypäivän tarkimmat kellot ovat edelleen kiinteitä asennuksia, joita käyttävät kansallisten metrologialaitosten, tutkimuslaitosten ja yliopistojen asiantuntijaryhmät. Toisaalta pitkän-etäisyyden vertailut ja ultrastabiilien kellosignaalien levittäminen ovat mahdollisia vain tietoliikennekaistan kautta. Tämä asettaa haasteen verkkosovelluksille, koska optiseen kellonsiirtoon lukitut OFC:t eivät yleensä pysty helposti liitymään kuituverkkoihin tai mahdollistamaan referenssisignaalien jakelua muihin paikkoihin.

Haaste johtuu tavanomaisten taajuuskampojen vaihekohinaskaalauksen ja optisten kellojen siirtymien ja tietoliikennekaistan välisen spektrivälin yhteisvaikutuksesta. Kuten kuvassa 6 näkyy, spektrin puhtauden siirto ylittää tämän esteen mahdollistaen sekä pitkän-etäisyyden kellojen vertailun että ultrastabiilien viitteiden levittämisen laboratorioihin, jotka eivät käytä omia optisia kellojaan. Tämä ominaisuus avaa monia jännittäviä tieteellisiä mahdollisuuksia-mukaan lukien kvanttiteknologian edistysaskel,-tarkka geodesia, tähtitiede, navigointi ja perusfysiikan testit.^8,9