Гребенки оптических частот (OFC) – это точные источники лазерного света, спектры которых состоят из ряда равноотстоящих друг от друга частотных линий,-которые напоминают зубцы расчески. Будучи высокоточными линейками для измерения оптических частот, OFC произвели революцию в прецизионных измерениях и метрологии с момента их разработки в конце 1990-х годов. Одной из наиболее важных возможностей OFC является передача спектральной чистоты. Это относится к способности OFC передавать спектральную чистоту-стабильность частоты и узкую ширину линии-одного источника света другому, работающему на другой длине волны.
В реализации со сверхнизким-шумом (запатентовано Menlo Systems)1), передача спектральной чистоты сохраняет характеристики ультрастабильных оптических эталонных систем во всем гребенчатом спектре, включая выходные сигналы с преобразованием частоты-, охватывающие диапазоны спектра от видимого до среднего-инфракрасного диапазона.
Введение в гребенки оптических частот
OFC – это лазерный источник, оптический спектр которого состоит из серии дискретных, -равноотстоящих друг от друга частотных линий. В частотной области эта регулярная структура напоминает зубцы расчески. OFC чаще всего генерируются с использованием ультракоротких лазеров с синхронизацией моделей (см. Рис. . 1, вверху). Синхронизация моделей — это метод, при котором продольные моды лазерного резонатора заставляют колебаться с фиксированным фазовым соотношением. В результате лазер излучает серию ультракоротких оптических импульсов. Циркулирующий импульс распространяется взад и вперед внутри лазерного резонатора с частотой повторения.fпредставитель, которое определяется временем прохождения резонатора туда и обратно-. Во время каждого обхода небольшое количество энергии импульса извлекается через частично пропускающее зеркало для формирования выходного сигнала лазера. Во временной области этот выходной сигнал выглядит как регулярная последовательность импульсов, а в частотной области он соответствует гребенке эквидистантных спектральных линий (см. рис. . 1, внизу).
Из-за дисперсии в резонаторе лазера групповая скорость огибающей импульса обычно отличается от фазовой скорости оптической несущей. Это несоответствие приводит к постепенному сдвигу фаз.Δφнесущей волны относительно огибающей импульса от одного прохождения туда и обратно к другому. Это явление называется сдвигом фазы-огибающей несущей (см. рис.. 1, внизу слева).
В идеале, при отсутствии шума и внешних возмущений, соотношение Фурье между временной и частотной областями означает, что строго периодическая последовательность импульсов соответствует дискретному набору равноотстоящих друг от друга частотных мод (см. рис. 1, внизу справа).
В частотной области отдельные гребенчатые линииνn даны:
vn = нфпредставитель + fГенеральный директор,
гдеn- индекс целочисленного режима,fпредставитель- частота повторения импульсов, аfГенеральный директоробозначает частоту смещения-огибающей несущей. Весь спектр гребенки смещается наfГенеральный директорв результате сдвига фазы импульса-к-несущей-огибающей импульса, в то время как расстояние между соседними линиями определяется исключительноfпредставитель. На практике как частота повторенияfпредставительи частота смещения-огибающей несущейfГенеральный директор необходимо как измерять, так и активно стабилизировать, чтобы сверхбыстрый импульсный лазер мог функционировать как OFC. Измерениеfпредставительотносительно прост, поскольку обычно находится в диапазоне от десятков мегагерц до нескольких гигагерц и может быть обнаружен с помощью быстрого фотодиода. Стабилизация частоты повторений достигается за счет замыкания петли обратной связи на приводах, которые позволяют эффективно регулировать длину полости. Напротив, измерение и контрольfГенеральный директорзначительно сложнее и представляет собой серьезную проблему на раннем этапе разработки технологии OFC.
Гребни частот-генерации разностной частоты (DFG)
Исторически одной из первых стратегий борьбы с частотой смещения огибающей несущей- была оптическая схема, которая вообще исключала необходимость ее явного измерения и контроля. Это достигается за счет использования нелинейного процесса DFG с фазостабильной стабильностью огибающей несущей для создания копии исходной последовательности лазерных импульсов, что приводит к среднему значению fГенеральный директорнулевое значение (<fГенеральный директор>= 0). В таких OFC на основе DFG- два различных спектральных компонента, исходящих от одного и того же лазерного генератора (обычно после спектрального уширения в нелинейных волокнах), смешиваются в нелинейном кристалле. В идеальном случае оба компонента будут нести один и тот жеfГенеральный директор, поэтому вычитание их частот приведет к нейтрализации смещения и даст " OFC без смещения-". С чисто технической точки зрения OFC без смещения-предлагают простоту, поскольку требуют только одного контура управления: их единственная управляющая переменная — это частота повторения.fпредставитель. Но здесь приходится идти на компромисс: математическое ожидание<fГенеральный директор>= 0 не означает полного отсутствияfГенеральный директорфазовый шум. Другими словами, хотя процесс DFG удаляет среднее смещение, он не подавляет некогерентный шум, связанный сfГенеральный директор (см. рис. 2). Вместо этого было показано, что OFC на основе DFG- демонстрируют квадратичное масштабирование фазового шума в зависимости от частоты, описываемое моделью «эластичной ленты» с фиксированной точкой на нулевой частоте.2
Оглядываясь назад, стоит отметить, что метод создания гребенок свободных частот смещения-с помощью DFG был первоначально запатентован Обществом Макса Планка,3и на заре коммерциализации OFC лицензия на него была предоставлена исключительно Menlo Systems. Этот метод по-прежнему очень выгоден для генерации частотного-гребенчатого излучения на длинах волн, которые в противном случае труднодоступны--, поэтому мы продолжаем использовать DFG для расширения спектрального покрытия до среднего-инфракрасного диапазона и за его пределами.
Гребенки частот-с собственной ссылкой
После разработки первых практических гребенчатых систем достижения в области нелинейных оптических волокон позволили обеспечить надежное обнаружение смещения-огибающей несущей. Эти разработки позволили относительно просто и эффективно создавать октавные-гребенки; т. е. частотные гребенки, охватывающие диапазон частот, более чем в два раза превышающий самую низкую частоту. При наличии октавных-охватывающих гребенчатых спектров несущую-частоту смещения огибающей можно охарактеризовать с помощью простого-метода самореференции. Этот метод основан на использовании интерферометра, который гетеродинирует две отдельные части спектра гребенки: моду гребенки с индексомnна красном конце спектра
vn = нфпредставитель + fГенеральный директор
передается через нелинейный кристалл для генерации второй гармоники
2vn = 2(нфпредставитель + fГенеральный директор),
который сдвинут на удвоенную частоту смещения. Этот сигнал с удвоенной частотой-затем сравнивается с гребенчатым режимом с индексом 2.n
v2n = 2нфпредставитель + fГенеральный директор.
Доля между этими двумя частотами непосредственно показывает частоту смещения-огибающей несущей:
2vn − v2n = fГенеральный директор.
Этот метод «f–2f» является не чем иным, как выдающимся достижением в технологии OFC, поскольку он позволяет напрямую измерять частоту смещения-огибающей несущей. В частности, он поддерживает внедрение специальных приводов активного контроля дисперсии внутри резонатора лазера для сверхнизкой шумовой стабилизации и контроляfГенеральный директор(см. рис. 3).
Передача спектральной чистоты
Эффективный контроль и стабилизация степеней свободы гребенки оптических частот-ее частоты повторения, а также ее несущей-частоты смещения огибающей-имеют решающее значение для прецизионных приложений, которые требуют ширины линии и стабильности, намного превышающих те, которые достижимы при использовании любой свободно-работающей гребенки (см. рис. 4a). Распространенным подходом является установка оптического замка; т.е. для передачи спектральной чистоты, обеспечиваемой внешним оптическим эталоном, на одну из линий гребенки частот. Оптические эталонные системы Menlo Systems обычно обеспечивают ширину линии менее-герца в сочетании с превосходной стабильностью частоты. Они сочетают в себе однорежимный-лазер непрерывного-волн (CW), высокоточный-оптический эталонный резонатор и соответствующие оптические и электронные компоненты синхронизации-все они разработаны для обеспечения высокой чувствительности и широкой полосы захвата.4Традиционная схема привязки OFC к внешнему оптическому эталону показана на рисунке 4b. Такой контур управления частотой повторения основан на обнаружении ноты биения между опорным лазером CW и одним из зубцов гребенки, измерении любого дрейфа частоты и соответствующей обратной связи с приводом частоты повторения гребенки.
Важно отметить, что, хотя схема стабилизирует выбранный зубец гребенки, по-настоящему фиксированным является только расстояние между эталонным лазером и этой единственной линией гребенки: поскольку привод частоты повторения обеспечивает управление только одной степенью свободы, он в первую очередь влияет на линии гребенки вблизи точки фиксации. Следовательно, ширина линии и фазовый шум увеличиваются по мере увеличения спектрального расстояния от оптического эталона. Это ограничение присуще схеме блокировки и не зависит от архитектуры гребенки: независимо от того, является ли гребенка-свободной или самоссылающейся-, при блокировке только за счет частоты повторения спектральная чистота неизбежно будет ухудшаться по мере удаления гребенчатой линии от внешнего оптического эталона, а гребенчатые линии виртуального радиочастотного домена практически не затрагиваются. Скорее, как показано на рисунке 4c, передача спектральной чистоты по всему спектру гребенки частот требует дополнения привода частоты повторения вторым контуром управления для частоты смещения огибающей несущей-(fГенеральный директор). Привлечение такогоfГенеральный директорЦикл обратной связи выполняет три основные задачи:fГенеральный директорпри выбранном значении, подавляя когерентный и некогерентный шум и уменьшая фазовый шум на всех зубцах гребенки, удаленных от внешнего оптического опорного источника.fГенеральный директорсрабатывание действует симметрично на спектре в том смысле, что оно оказывает минимальное влияние на гребенчатые линии вблизи оптического эталона, но сильно влияет на все гребенчатые линии вдали от него, включая как оптические, так и виртуальные в RF-области. В целом, быстрый контур управления частотой смещения огибающей несущей-может восприниматься как исполнительный механизм, дополняющий исполнительный механизм частоты повторения-для блокировки второй степени свободы OFC.
Конструкция двойного срабатывания Menlo Systems обеспечивает передачу истинной спектральной чистоты,-точно повторяя спектральную чистоту оптического эталона по каждой отдельной гребенчатой линии. Как показано на рисунке 5, спектральная чистота также поддерживается на всех этапах преобразования частоты, включая сдвиг частоты, генерацию второй-гармоники или генерацию суперконтинуума.
Область применения: оптические атомные часы
Технология сверхмалого-шума Menlo Systems обеспечивает точность во всем спектре, совершенствуя приложения, требующие максимально точной работы, например оптические атомные часы. В этой области наши OFC позволили передавать самые точные в мире оптические эталонные сигналы на самые точные в мире оптические часы, проводить высокоточные-меж-сравнения часов разных видов, а также распространять-оптические сигналы часов на большие расстояния через оптоволоконные сети.
Передача высочайшей точности
Как показано на рисунке 6, оптические эталонные резонаторы чаще всего доступны в ближнем-диапазоне длин волн ИК-диапазона (обычно около 1550 нм), где они обеспечивают превосходные характеристики и высокую надежность при сравнительно низкой стоимости. Неудивительно, что в этом диапазоне длин волн также находятся самые -эффективные эталонные резонаторы, доступные в настоящее время. В новаторской работе, проведенной совместно JILA (США) и Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; Национальный институт метрологии Германии), криогенный монокристаллический кремниевый резонатор с кремниевыми зеркалами продемонстрировал дробную нестабильность частоты всего 4 × 10-17в одну секунду и шириной линии 5 мГц.5
Эта разработка представляет собой десятикратное улучшение по сравнению с современными---полостями из стекла сверхнизкого расширения (ULE) при комнатной температуре. Чтобы перенести эту непревзойденную стабильность и ширину линии из рабочей длины волны резонатора 1542 нм в видимый спектральный диапазон для рекордных-часов на стронциевой оптической решетке, работающих на длине волны 698 нм,6исследователи полагаются на технологию гребенки сверхнизких-частот Menlo Systems (параллельно мы спроектировали криогенный резонатор в нашей модели ORS-ULN).
Сравнение часов-с-часами
Хотя нынешнее определение секунды, основанное на сверхтонком переходе 9,2 ГГц в цезии, существует уже более полувека, в настоящее время предпринимаются глобальные совместные усилия по переопределению стандарта SI с использованием сверхузких оптических переходов внутри холодных атомов и захваченных ионов. Соответственно, в качестве кандидатов исследуются оптические часы, основанные на широком спектре атомов. Чтобы оценить эти новые стандарты, различные оптические часы необходимо сравнивать друг с другом с высочайшим уровнем точности (см. Рис. . 6), но их частоты перехода могут отличаться на сотни терагерц, и это делает невозможным любое прямое электронное измерение.
Как показывает недавняя работа, эти частотные различия могут быть преодолены с высочайшей точностью за счет передачи спектральной чистоты: сверхмалошумящие-OFC компании Menlo Systems позволяют осуществлять меж-сравнение тактовых импульсов разных видов на частоте 10-18уровень и выше.7В этом контексте передача спектральной-чистоты является перспективной-функцией, необходимой для любой лаборатории оптических часов, поскольку она дает возможность исследовать различные виды атомов, уверенно полагаясь на один источник для определения гребенки частот.
Распространение через оптоволоконные сети
В то время как новаторские эксперименты прокладывают путь к портативным оптическим часам, наиболее точные сегодняшние часы остаются стационарными установками, управляемыми группами экспертов в национальных метрологических институтах, исследовательских центрах и университетах. С другой стороны, сравнение-на больших расстояниях и распространение сверхстабильных тактовых сигналов возможны только через телекоммуникационный диапазон. Это создает проблему для сетевых приложений, поскольку OFC, привязанные к оптическому тактовому переходу, обычно не могут легко взаимодействовать с оптоволоконными сетями или обеспечивать распространение опорных сигналов на другие узлы.
Проблема возникает из-за комбинированного эффекта масштабирования фазового шума в обычных гребенках частот и спектрального разрыва между переходами оптических часов и телекоммуникационным диапазоном. Как показано на рисунке 6, передача спектральной чистоты преодолевает этот барьер, позволяя как сравнивать часы на -расстоянии, так и распространять сверхстабильные эталонные образцы в лаборатории, которые не имеют собственных оптических часов. Эта возможность открывает широкий спектр интересных научных возможностей,-включая достижения в области квантовых технологий, высокоточной-геодезии, астрономии, навигации и испытаний фундаментальной физики.8,9
