Optické frekvenčné hrebene (OFC) sú presné laserové svetelné zdroje, ktorých spektrá pozostávajú zo série rovnako{0}}rozložených frekvenčných čiar, ktoré pripomínajú zuby hrebeňa. Ako vysoko presné pravítka na meranie optických frekvencií, OFC spôsobili revolúciu v precíznom meraní a metrológii od svojho vývoja na konci 90. rokov. Jednou z najdôležitejších schopností, ktoré OFC umožňujú, je prenos spektrálnej čistoty. Vzťahuje sa na schopnosť OFC prenášať spektrálnu čistotu-stabilitu frekvencie a úzku šírku čiar-jedného svetelného zdroja na iný, ktorý pracuje pri inej vlnovej dĺžke.
V implementácii s ultranízkym{0}}šumom (patentované spoločnosťou Menlo Systems1), prenos spektrálnej čistoty zachováva charakteristiky ultrastabilných optických referenčných systémov naprieč celým hrebeňovým spektrom vrátane frekvenčne -konvertovaných výstupov pokrývajúcich viditeľné až stredné{1}}infračervené spektrálne oblasti.
Úvod do optických frekvenčných hrebeňov
OFC je laserový zdroj, ktorého optické spektrum pozostáva zo série diskrétnych, rovnako{0}}rozložených frekvenčných čiar. Vo frekvenčnej oblasti táto pravidelná štruktúra pripomína zuby hrebeňa. OFC sa najčastejšie generujú pomocou ultrakrátkych laserov s uzamknutým režimom (pozri obr. 1, hore). Modelocking je technika, pri ktorej sú pozdĺžne režimy laserovej dutiny nútené oscilovať s pevným fázovým vzťahom. V dôsledku toho laser vysiela sériu ultrakrátkych optických impulzov. Cirkulujúci impulz sa šíri tam a späť vnútri laserového rezonátora s opakovacou frekvencioufrep, ktorý je určený časom obehu dutiny-. Počas každej spiatočnej cesty je cez čiastočne priepustné zrkadlo extrahované malé množstvo pulznej energie, aby sa vytvoril laserový výstup. V časovej oblasti sa tento výstup javí ako pravidelný sled impulzov a vo frekvenčnej oblasti zodpovedá hrebeňu ekvidištantných spektrálnych čiar (pozri obr. 1 dole).
V dôsledku disperzie v dutine lasera sa skupinová rýchlosť obálky impulzu zvyčajne líši od fázovej rýchlosti optického nosiča. Tento nesúlad má za následok postupný fázový posunΔφnosnej vlny vzhľadom na obálku impulzu z jednej spiatočnej cesty k ďalšej. Tento jav sa označuje ako posun fázy nosnej-obálky (pozri obr. 1, vľavo dole).
V ideálnom prípade, pri absencii šumu a vonkajších porúch, Fourierov vzťah medzi časovou a frekvenčnou doménou znamená, že striktne periodický sled impulzov zodpovedá diskrétnej množine rovnako rozložených frekvenčných režimov (pozri obrázok . 1 vpravo dole).
Vo frekvenčnej oblasti jednotlivé hrebeňové línieνn sú dané:
vn = nfrep + fgenerálny riaditeľ,
kdenje index celočíselného režimu,frepje frekvencia opakovania pulzu afgenerálny riaditeľoznačuje frekvenciu posunu-obálky. Celé hrebeňové spektrum je posunuté ofgenerálny riaditeľako výsledok obalového sklzu medzi fázovým sklzom-k-nosičom impulzu{2}}, pričom vzdialenosť medzi susednými čiarami je určená výlučnefrep. V praxi aj frekvencia opakovaniafrepa frekvenciu posunu{0}}obálkyfgenerálny riaditeľ Aby ultrarýchly pulzný laser fungoval ako OFC, musia byť merané a aktívne stabilizované. Meraniefrepje pomerne jednoduché, pretože zvyčajne leží v rozsahu desiatok megahertzov až niekoľkých gigahertzov a možno ho detegovať pomocou rýchlej fotodiódy. Stabilizácia opakovacej frekvencie sa dosiahne uzavretím spätnej väzby na ovládačoch, ktoré umožňujú efektívne nastavenie dĺžky dutiny. Naproti tomu meranie a riadeniefgenerálny riaditeľje podstatne zložitejšia a predstavovala veľkú výzvu v ranom vývoji technológie OFC.
Rozdiel{0}}frekvenčné hrebene generovania frekvencie (DFG).
Historicky bola jednou z prvých stratégií na vysporiadanie sa s ofsetovou frekvenciou nosnej-obálky optická schéma, ktorá sa úplne vyhýba potrebe jej explicitného merania a kontroly. Dosahuje sa to pomocou nelineárneho procesu DFG so stabilnou fázou nosnej obálky na vytvorenie repliky pôvodného sledu laserových impulzov, čo vedie k priemernej fgenerálny riaditeľhodnota nula (<fgenerálny riaditeľ>= 0). V takýchto OFC založených na DFG- sú dve odlišné spektrálne zložky pochádzajúce z rovnakého laserového oscilátora (zvyčajne po spektrálnom rozšírení v nelineárnych vláknach) zmiešané v nelineárnom kryštáli. V ideálnom prípade budú oba komponenty niesť to istéfgenerálny riaditeľ, takže odpočítaním ich frekvencií sa posun zruší a vznikne „offset-bezplatný OFC“. Z čisto technického hľadiska ponúkajú offsetové-bezplatkové OFC jednoduchosť tým, že vyžadujú iba jednu riadiacu slučku: Ich jedinou riadiacou premennou je frekvencia opakovaniafrep. To však prichádza s kompromisom: Hodnota očakávania<fgenerálny riaditeľ>= 0 neznamená celkovú absenciufgenerálny riaditeľfázový šum. Inými slovami, zatiaľ čo proces DFG odstraňuje priemerný posun, nepotláča nesúvislý šum, s ktorým je spojenýfgenerálny riaditeľ (pozri obr. 2). Namiesto toho sa ukázalo, že OFC založené na DFG- vykazujú kvadratické škálovanie fázového šumu s frekvenciou, popísané modelom „elastickej pásky“ s pevným bodom pri nulovej frekvencii.2
Pri spätnom pohľade stojí za zmienku, že technika generovania offsetových-bezplatných frekvenčných hrebeňov prostredníctvom DFG bola pôvodne patentovaná spoločnosťou Maxa Plancka,3a počas prvých dní komercializácie OFC bol výhradne licencovaný spoločnosti Menlo Systems. Metóda je stále veľmi výhodná na generovanie frekvenčného-hrebeňového žiarenia na inak ťažko{2}}-dostupných vlnových dĺžkach, a preto pokračujeme v používaní DFG na rozšírenie spektrálneho pokrytia do stredného-infračerveného žiarenia a ďalej.
Samo{0}}referenčné frekvenčné hrebene
Po vývoji prvých praktických hrebeňových systémov umožnil pokrok v oblasti nelineárnych optických vlákien spoľahlivú detekciu posunu nosnej-obálky. Tento vývoj umožnil relatívne jednoduché a efektívne generovanie oktávových-hrebeňov; tj frekvenčné hrebene pokrývajúce frekvenčný rozsah viac ako dvojnásobok ich najnižšej frekvencie. S dostupným hrebeňovým spektrom-presahujúcim oktávu možno frekvenciu posunu nosnej-obálky charakterizovať pomocou priamej-metódy vlastného odkazovania. Táto metóda sa spolieha na interferometer, ktorý heterodynuje dve odlišné časti hrebeňového spektra: hrebeňový režim s indexomnna červenom konci spektra
vn = nfrep + fgenerálny riaditeľ
je poslaný cez nelineárny kryštál, aby vytvoril svoju druhú harmonickú
2vn = 2(nfrep + fgenerálny riaditeľ),
ktorý je posunutý o dvojnásobok ofsetovej frekvencie. Tento frekvenčný-signál s dvojnásobnou frekvenciou je potom porazený proti hrebeňovému režimu s indexom 2n
v2n = 2nfrep + fgenerálny riaditeľ.
Tlkot medzi týmito dvoma frekvenciami priamo odhaľuje nosnú-frekvenciu obálky:
2vn − v2n = fgenerálny riaditeľ.
Táto metóda „f–2f“ nie je ničím menším ako prelomovým úspechom v technológii OFC, pretože umožňuje priame meranie frekvencie posunu obálky nosiča-. Podporuje najmä implementáciu vyhradených aktívnych ovládačov na riadenie disperzie vo vnútri dutiny lasera na stabilizáciu ultranízkeho šumu a riadeniefgenerálny riaditeľ(pozri obr. 3).
Prenos spektrálnej čistoty
Efektívne ovládanie a stabilizácia stupňov voľnosti optického frekvenčného hrebeňa-jeho frekvencia opakovania, ako aj jeho nosná-frekvencia posunu obálky- sú rozhodujúce pre presné aplikácie, ktoré si vyžadujú šírku čiar a stabilitu ďaleko presahujúcu tie, ktoré je možné dosiahnuť pomocou ľubovoľného voľne bežiaceho hrebeňa (pozri obr. 4a). Všadeprítomným prístupom je vytvorenie optického zámku; tj na prenos spektrálnej čistoty dodávanej externou optickou referenciou na jednu z frekvenčných hrebeňových čiar. Optické referenčné systémy Menlo Systems bežne dosahujú sub-hertzové šírky čiar spolu s vynikajúcou frekvenčnou stabilitou. Spájajú jeden-režim kontinuálnej{12}}vlny (CW), vysoko{13}}jemnú optickú referenčnú dutinu a pridružené optické a elektronické uzamykacie komponenty{14}}všetko skonštruované tak, aby poskytovali vysokú citlivosť a širokú blokovaciu šírku pásma.4Konvenčné nastavenie na uzamknutie OFC k externej optickej referencii je znázornené na obrázku 4b. Takáto regulačná slučka frekvencie opakovania sa spolieha na detekciu rytmu medzi CW referenčným laserom a jedným zo zubov hrebeňa, meranie akéhokoľvek frekvenčného posunu a príslušnú aplikáciu spätnej väzby na ovládač opakovacej frekvencie hrebeňa.
Rozhodujúce je, že aj keď schéma stabilizuje zvolený hrebeňový zub, iba vzdialenosť medzi referenčným laserom a jednou hrebeňovou líniou je skutočne pevná: Pretože ovládač frekvencie opakovania poskytuje kontrolu iba nad jedným stupňom voľnosti, primárne ovplyvňuje línie hrebeňa blízko uzamykacieho bodu. V dôsledku toho sa šírka čiary a fázový šum zvyšujú so spektrálnou vzdialenosťou od optickej referencie. Toto obmedzenie je vlastné uzamykacej schéme a je nezávislé od hrebeňovej architektúry: Či už ide o hrebeň -bez posunu alebo o hrebeň so sebou samým{3}}, pri uzamknutí pomocou samotnej opakovacej frekvencie bude spektrálna čistota nevyhnutne degradovať, čím ďalej je hrebeňová čiara od externej optickej referencie, a ponechá virtuálne hrebeňové čiary RF-domény v podstate nedotknuté. Ako je znázornené na obrázku 4c, prenos spektrálnej čistoty naprieč celým frekvenčným hrebeňovým spektrom vyžaduje doplnenie ovládača frekvencie opakovania druhou riadiacou slučkou pre frekvenciu posunu nosnej-obálky (fgenerálny riaditeľ). Zapojenie takejto afgenerálny riaditeľspätná väzba vykonáva tri základné úlohy: Uzamykaniefgenerálny riaditeľna zvolenej hodnote, potlačenie jeho koherentného a nekoherentného šumu a zníženie fázového šumu naprieč všetkými hrebeňovými zubami, ktoré sú vzdialené od externej optickej referencie. Thefgenerálny riaditeľaktivácia pôsobí symetricky na spektrum v tom zmysle, že má minimálny vplyv na hrebeňové línie v blízkosti optickej referencie, ale silne ovplyvňuje všetky hrebeňové línie ďaleko od nej, vrátane optických, ako aj virtuálnych v RF-doméne. Celkovo možno rýchlu slučku pre riadenie-frekvencie posunu obálky vnímať ako ovládač, ktorý dopĺňa ovládač frekvencie opakovania-na uzamknutie druhého stupňa voľnosti OFC.
Dizajn dvojitého ovládania Menlo Systems umožňuje prenos skutočnej spektrálnej čistoty-presne replikujúci spektrálnu čistotu optickej referencie cez každú jednu hrebeňovú líniu. Ako je znázornené na obrázku 5, spektrálna čistota sa udržiava aj počas fáz frekvenčnej konverzie, vrátane frekvenčného posunu, druhej- harmonickej generácie alebo superkontinua.
Aplikačný reflektor: Optické atómové hodiny
Ultranízka{0}}šumová technológia spoločnosti Menlo Systems poskytuje presnosť v celom spektre a posúva aplikácie, ktoré vyžadujú najpresnejší výkon, ako sú napríklad optické atómové hodiny. V tejto oblasti naše OFC umožnili prenos najpresnejších optických referencií na svete na najpresnejšie optické hodiny na svete, porovnania medzidruhových hodín s vysokou-presnosťou, ako aj-šírenie signálov optických hodín na veľké vzdialenosti prostredníctvom optických sietí.
Prenos maximálnej presnosti
Ako je znázornené na obrázku 6, optické referenčné dutiny sú najbežnejšie dostupné v oblasti blízkej -IR vlnovej dĺžky (zvyčajne okolo 1550 nm), kde ponúkajú vynikajúci výkon a vysokú spoľahlivosť pri porovnateľne nízkej cene. Nie je prekvapením, že tento rozsah vlnových dĺžok tiež hostí najvýkonnejšie-referenčné dutiny, ktoré sú v súčasnosti k dispozícii. V prelomovej práci spolupráce JILA (USA) a Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; Národný metrologický inštitút Nemecka) dutina kryogénneho monokryštalického kremíka s kremíkovými zrkadlami preukázala nestabilitu frakčnej frekvencie len 4 × 10-17pri jednej sekunde a šírke čiary 5 mHz.5
Tento vývoj predstavuje desaťnásobné zlepšenie v porovnaní s-moderným{1}}-sklenením s ultranízkou expanziou (ULE) pri izbovej teplote. Na prenos tejto bezkonkurenčnej stability a šírky čiary z prevádzkovej vlnovej dĺžky dutiny pri 1542 nm do viditeľného spektrálneho rozsahu pre rekordne -prelomové hodiny stronciovej optickej mriežky prevádzkované pri 698 nm,6výskumníci sa spoliehajú na technológiu hrebeňa s ultranízkym{0}}frekvenčným šumom od Menlo Systems (súčasne sme do nášho modelu ORS-ULN vytvorili kryogénnu dutinu).
Porovnanie{0}}k-hodinám
Hoci súčasná definícia druhého, ktorý sa spolieha na 9,2-GHz hyperjemný prechod v rámci cézia, trvá už viac ako pol storočia, prebieha globálne spoločné úsilie o predefinovanie štandardu SI pomocou ultraúzkych optických prechodov vo vnútri studených atómov a zachytených iónov. V súlade s tým sa ako kandidáti skúmajú optické hodiny založené na širokej škále atómových druhov. Na vyhodnotenie týchto nových štandardov musia byť rôzne optické hodiny navzájom porovnané s najvyššou úrovňou presnosti (pozri obr. 6), ale ich prechodové frekvencie sa môžu líšiť o stovky terahertzov, čo znemožňuje akékoľvek priame elektronické meranie.
Ako ukazuje nedávna práca, tieto frekvenčné medzery možno premostiť s najvyššou presnosťou prenosom spektrálnej čistoty: ultranízko{0}}šumové OFC od Menlo Systems umožňujú porovnávanie medzidruhových hodín pri 10-18úrovni a mimo nej.7V tomto kontexte je prenos spektrálnej -čistoty funkciou budúcnosti-vyžadovanou pre každé laboratórium optických hodín, pretože poskytuje možnosť skúmania rôznych atómových druhov, pričom sa s istotou spolieha na jediný zdroj pri odkazovaní na frekvenčný hrebeň.
Šírenie prostredníctvom optických sietí
Zatiaľ čo priekopnícke experimenty dláždia cestu k prenosným optickým hodinám, dnešné najpresnejšie hodiny zostávajú stacionárnymi inštaláciami prevádzkovanými expertnými tímami v národných metrologických ústavoch, výskumných zariadeniach a univerzitách. Na druhej strane, porovnania na veľké{1}}diaľky a šírenie ultrastabilných hodinových signálov je možné len prostredníctvom telekomunikačného pásma. To predstavuje výzvu pre sieťové aplikácie, pretože OFC uzamknuté na prechod optických hodín sa zvyčajne nedokážu ľahko pripojiť k optickým sieťam alebo umožniť distribúciu referenčných signálov na iné miesta.
Výzva vychádza z kombinovaného účinku škálovania fázového šumu v konvenčných frekvenčných hrebeňoch a spektrálnej medzery medzi prechodmi optických hodín a telekomunikačným pásmom. Ako je znázornené na obrázku 6, prenos spektrálnej čistoty prekonáva túto bariéru a umožňuje porovnávanie hodín na veľké vzdialenosti, ako aj šírenie ultrastabilných referencií do laboratórií, ktoré neprevádzkujú svoje vlastné optické hodiny. Táto schopnosť odomyká širokú škálu vzrušujúcich vedeckých príležitostí-vrátane pokroku v kvantových technológiách,-veľmi presnej geodézii, astronómii, navigácii a testoch základnej fyziky.8,9
