Optički frekventni češljevi (OFC) su precizni laserski izvori svjetlosti čiji se spektri sastoje od niza jednako-razmaknutih frekvencijskih linija koje podsjećaju na zupce češlja. Kao vrlo precizna ravnala za mjerenje optičkih frekvencija, OFC-ovi su revolucionirali precizno mjerenje i mjeriteljstvo od svog razvoja u kasnim 1990-im. Jedna od najvažnijih mogućnosti koju omogućavaju OFC je prenos spektralne čistoće. Odnosi se na sposobnost OFC-a da prenese spektralnu čistoću-stabilnost frekvencije i usku širinu linije-jednog izvora svjetlosti na drugi koji radi na drugoj talasnoj dužini.
U implementaciji s ultraniskom{0}}šumom (patentirano od strane Menlo Systems1), prijenos spektralne čistoće čuva karakteristike ultrastabilnih optičkih referentnih sistema u cijelom spektru češlja, uključujući frekventno{0}}konvertirane izlaze koji obuhvataju vidljive do srednje{1}}infracrvene spektralne regije.
Uvod u češljeve optičkih frekvencija
OFC je laserski izvor čiji se optički spektar sastoji od niza diskretnih, jednako{0}}razmaknutih frekvencijskih linija. U frekvencijskom domenu, ova pravilna struktura podsjeća na zupce češlja. OFC-ovi se najčešće generiraju korištenjem ultrakratkih lasera sa zaključavanjem modela (vidi Sliku . 1, vrh). Model zaključavanje je tehnika u kojoj su uzdužni modovi laserske šupljine prisiljeni da osciliraju s fiksnim faznim odnosom. Shodno tome, laser emituje niz ultrakratkih optičkih impulsa. Cirkulirajući puls širi se naprijed-nazad unutar laserskog rezonatora brzinom ponavljanjafrep, koji je određen povratnim-vrijemenom šupljine. Tokom svakog povratnog putovanja, mala količina energije impulsa se ekstrahuje preko delimično transmisivnog ogledala da bi se formirao laserski izlaz. U vremenskom domenu, ovaj izlaz se pojavljuje kao regularni niz impulsa, au frekventnom domenu odgovara češlju ekvidistantnih spektralnih linija (vidi sliku. 1, dolje).
Zbog disperzije u laserskoj šupljini, grupna brzina omotača impulsa obično se razlikuje od fazne brzine optičkog nosača. Ova neusklađenost rezultira postepenim pomakom fazeΔφvala nosioca u odnosu na omotač pulsa od jednog kružnog putovanja do sljedećeg. Ovaj fenomen se naziva fazni pomak envelope nosioca (pogledajte sliku. 1, dolje lijevo).
U idealnom slučaju, u odsustvu šuma i vanjskih perturbacija, Fourierov odnos između vremenskog i frekventnog domena implicira da striktno periodični niz impulsa odgovara diskretnom skupu jednako raspoređenih frekvencijskih modova (vidi Sliku . 1, dolje desno).
U frekvencijskom domenu, pojedinačne linije češljaνn daju:
vn = nfrep + fgeneralni direktor,
gdjenje indeks cjelobrojnog načina,frepje stopa ponavljanja pulsa, ifgeneralni direktoroznačava frekvenciju pomaka{0}}ovojnice nosioca. Ceo spektar češlja je pomeren zafgeneralni direktorkao rezultat klizanja faznog omotača impulsa-na-nosač impulsa-, dok je razmak između susjednih linija isključivo određenfrep. U praksi, i stopa ponavljanjafrepi frekvenciju pomaka{0}}ovojnice nosiocafgeneralni direktor mora se i izmjeriti i aktivno stabilizirati da bi ultrabrzi pulsni laser funkcionirao kao OFC. Merenje odfrepje relativno jednostavan, jer se obično nalazi u rasponu od desetina megaherca do nekoliko gigaherca i može se detektovati pomoću brze fotodiode. Stabilizacija brzine ponavljanja se postiže zatvaranjem povratne sprege na aktuatorima koji omogućavaju efektivno podešavanje dužine šupljine. Nasuprot tome, mjerenje i kontrolafgeneralni direktorje znatno složeniji i predstavljao je veliki izazov u ranom razvoju OFC tehnologije.
Različito{0}}češljeve za generiranje frekvencije (DFG).
Istorijski gledano, jedna od ranih strategija za postupanje sa frekvencijom pomaka envelope{0}}nosioca bila je optička šema koja izbjegava potrebu za njenim eksplicitnim mjerenjem i kontrolom u potpunosti. Ovo se postiže korišćenjem inherentno fazno stabilnog nelinearnog procesa DFG-a za stvaranje replike originalnog niza laserskih impulsa, što rezultira prosečnim fgeneralni direktorvrijednost nula (<fgeneralni direktor>= 0). U takvim OFC-ovima zasnovanim na DFG-u, dvije različite spektralne komponente koje potiču od istog laserskog oscilatora (obično nakon širenja spektra u nelinearnim vlaknima) se miješaju u nelinearnom kristalu. U idealnom slučaju obje komponente će nositi istofgeneralni direktor, tako da će oduzimanje njihovih frekvencija poništiti pomak kako bi se dobio "ofset-slobodan OFC." Sa čisto tehničkog stajališta, OFC-besplatni OFC-i nude jednostavnost zahtijevajući samo jednu kontrolnu petlju: njihova jedina kontrolna varijabla je stopa ponavljanjafrep. Ali ovo dolazi sa kompromisom: vrijednost očekivanja<fgeneralni direktor>= 0 ne podrazumijeva ukupno odsustvofgeneralni direktorfazni šum. Drugim riječima, dok DFG proces uklanja prosječni pomak, on ne potiskuje nekoherentnu buku povezanu safgeneralni direktor (vidi Sliku . 2). Umjesto toga, pokazalo se da OFC bazirani na DFG- pokazuju kvadratno skaliranje faznog šuma s frekvencijom, opisano modelom "elastične trake" sa fiksnom tačkom na nultoj frekvenciji.2
U retrospektivi, vrijedno je napomenuti da je tehniku generiranja offset-češlja bez frekvencije putem DFG originalno patentiralo Društvo Max Planck,3i tokom prvih dana komercijalizacije OFC-a bio je isključivo licenciran za Menlo Systems. Metoda je još uvijek veoma povoljna za generiranje frekventnog{1}}češljanog zračenja na inače teško dostupnim--valnim dužinama, zbog čega nastavljamo koristiti DFG za proširenje spektralne pokrivenosti u srednje{4}}infracrvene i dalje.
Samo{0}}češljevi za frekvenciju
Nakon razvoja prvih praktičnih comb sistema, napredak u nelinearnim optičkim vlaknima omogućio je pouzdanu detekciju pomaka{0}}ovojnice nosioca. Ovi razvoji su omogućili relativno jednostavnu i efikasnu generaciju češljeva u rasponu od oktave-; tj. frekventni češljevi koji pokrivaju opseg frekvencija više od dva puta njihove najniže frekvencije. Sa dostupnim oktavnim-češljastim spektrom koji se proteže, frekvencija pomaka envelope nosača{7}}može se okarakterizirati korištenjem jednostavne-metode samoreferenciranja. Ova metoda se oslanja na interferometar koji heterodinira dva različita dijela spektra češlja: Mod češlja sa indeksomnna crvenom kraju spektra
vn = nfrep + fgeneralni direktor
se šalje kroz nelinearni kristal kako bi stvorio svoj drugi harmonik
2vn = 2(nfrep + fgeneralni direktor),
koji je pomjeren za dvostruku frekvenciju ofseta. Ovaj frekvencijski-udvostručeni signal se zatim pobjeđuje u režimu češlja sa indeksom 2n
v2n = 2nfrep + fgeneralni direktor.
Beat nota između ove dvije frekvencije direktno otkriva frekvenciju pomaka omotnice{0}}nosioca:
2vn − v2n = fgeneralni direktor.
Ova metoda "f–2f" nije ništa drugo do značajno dostignuće u OFC tehnologiji jer omogućava direktno mjerenje frekvencije pomaka omotača nosioca{1}}. Konkretno, podržava implementaciju namjenskih aktuatora aktivne kontrole disperzije unutar laserske šupljine za ultranisku stabilizaciju buke i kontrolufgeneralni direktor(vidi Sliku . 3).
Transfer spektralne čistoće
Efikasna kontrola i stabilizacija stepena slobode optičkog frekventnog češlja-njegove stope ponavljanja kao i nosioca-frekvencije pomaka envelope{2}}su ključni za precizne primjene, koje zahtijevaju širine linija i stabilnosti daleko iznad onih koje se mogu postići bilo kojim slobodnim-češljem koji se pokreće{4} (se). Sveprisutni pristup je uspostavljanje optičke brave; tj. da prenese spektralnu čistoću koju isporučuje eksterna optička referenca na jednu od linija frekvencije. Optički referentni sistemi kompanije Menlo Systems rutinski postižu širine linije ispod -herca uparene sa odličnom stabilnošću frekvencije. Oni kombinuju jedan-mod kontinuiranog-lasera (CW) talasa, visoko{13}}optičku referentnu šupljinu i povezane optičke i elektronske komponente za zaključavanje-sve dizajnirane da pruže visoku osjetljivost i širok propusni opseg zaključavanja.4Konvencionalno podešavanje za zaključavanje OFC-a na eksternu optičku referencu ilustrovano je na slici 4b. Takva petlja za kontrolu brzine ponavljanja oslanja se na detekciju tona udarca između CW referentnog lasera i jednog od zubaca češlja, mjerenje bilo kakvog odstupanja frekvencije i primjenu povratne informacije na aktuator brzine ponavljanja češlja u skladu s tim.
Najvažnije je da, iako shema stabilizira odabrani zub češlja, samo je razmak između referentnog lasera i te pojedinačne linije češlja zaista fiksiran: budući da aktuator brzine ponavljanja pruža kontrolu samo nad jednim stepenom slobode, on prvenstveno utiče na linije češlja blizu tačke zaključavanja. Posljedično, širina linije i fazni šum rastu sa spektralnom udaljenosti od optičke reference. Ovo ograničenje je svojstveno šemi zaključavanja i neovisno o arhitekturi češlja: bez obzira da li je češalj bez pomaka-ili samo-referentni češalj, kada se zaključa samo putem stope ponavljanja, spektralna čistoća će neizbježno degradirati što je linija češlja dalje udaljena od vanjske optičke reference, i ostaviti virtuelnu liniju u RF efektu{4}. Umjesto toga, kao što je ilustrovano na slici 4c, prijenos spektralne čistoće kroz cijeli frekventni češasti spektar zahtijeva dopunu aktuatora brzine ponavljanja drugom kontrolnom petljom za frekvenciju pomaka omotača nosioca ({7}}fgeneralni direktor). Angažovanje takvogfgeneralni direktorpovratna petlja ostvaruje tri bitna zadatka: Zaključavanjefgeneralni direktorna odabranoj vrijednosti, potiskujući njegov koherentni i nekoherentni šum i smanjujući fazni šum preko svih zubaca češlja koji su udaljeni od vanjske optičke reference. Thefgeneralni direktoraktiviranje djeluje simetrično na spektar u smislu da ima minimalan utjecaj na češljaste linije u blizini optičke reference, ali snažno utiče na sve češljaste linije udaljene od nje, uključujući i optičke i virtuelne u RF-domenu. Sve u svemu, brza petlja za kontrolu frekvencije pomaka envelope nosioca-može se percipirati kao pokretač koji dopunjuje aktuator brzine ponavljanja-za zaključavanje drugog stepena slobode OFC-a.
Menlo Systems dizajn dvostrukog aktiviranja omogućava istinski prijenos spektralne čistoće-precizno replicirajući spektralnu čistoću optičke reference u svakoj pojedinačnoj liniji češlja. Kao što je ilustrovano na slici 5, spektralna čistoća se također održava kroz faze konverzije frekvencije, uključujući pomjeranje frekvencije, generiranje drugog-harmonika ili generiranje superkontinuuma.
Svjetlo primjene: optički atomski satovi
Menlo Systems-ova tehnologija ultraniske-šume pruža preciznost u cijelom spektru, unapređujući aplikacije koje zahtijevaju najpreciznije performanse, kao što su optički atomski satovi. Na ovom polju, naši OFC-ovi su omogućili prijenos najpreciznijih svjetskih optičkih referenci na najpreciznije svjetske optičke satove, visoke-precizne unakrsne-poređenja satova, kao i{4}}distribuciju signala optičkih satova na velike udaljenosti putem optičkih mreža.
Prenos krajnje preciznosti
Kao što je ilustrovano na Slici 6, optičke referentne šupljine su najčešće dostupne u području blizu-IR talasnih dužina (obično oko 1550 nm), gdje nude odlične performanse i visoku pouzdanost uz relativno nisku cijenu. Nije iznenađujuće, ovaj opseg talasnih dužina takođe sadrži referentne šupljine-sa najvećim performansama koje su trenutno dostupne. U revolucionarnom radu u saradnji JILA (SAD) i Physikalisch{8}}Technische Bundesanstalt (PTB; Nacionalni institut za mjeriteljstvo Njemačke), kriogena monokristalna silicijumska šupljina sa silicijumskim ogledalima pokazala je frakcijsku nestabilnost frekvencije od čak 4 × 10-17u jednoj sekundi i širina linije od 5 mHz.5
Ovaj razvoj predstavlja desetostruko poboljšanje u odnosu na stanje---umetnosti šupljina ultra niskog ekspanzionog stakla (ULE) na sobnoj temperaturi. Za prijenos ove neusporedive stabilnosti i širine linije iz radne valne dužine šupljine na 1542 nm u vidljivi spektralni opseg za rekordni-sat sa optičkom rešetkom stroncijuma koji je radio na 698 nm,6istraživači se oslanjaju na tehnologiju češlja sa ultraniskom -frekventnom frekvencijom šuma kompanije Menlo Systems (paralelno s tim, projektirali smo kriogenu šupljinu u naš model ORS-ULN).
Poređenje{0}}sa-sata
Iako trenutna definicija sekunde koja se oslanja na hiperfinu tranziciju od 9,2 GHz unutar cezijuma postoji više od pola stoljeća, u toku je globalni zajednički napor da se redefinira SI standard koristeći ultra uske optičke prijelaze unutar hladnih atoma i zarobljenih jona. Shodno tome, optički satovi zasnovani na širokom spektru atomskih vrsta se istražuju kao kandidati. Da bi se procijenili ovi novi standardi, različiti optički satovi moraju se međusobno upoređivati na najvišem nivou preciznosti (vidi sliku. 6), ali njihove prelazne frekvencije mogu se razlikovati za stotine teraherca i to onemogućava svako direktno elektronsko mjerenje.
Kao što nedavni rad pokazuje, ovi frekventni jazovi mogu se premostiti s najvećom preciznošću prijenosom spektralne čistoće: OFC-ovi sa ultra niskim-šumom Menlo Systems omogućavaju poređenje između-vrsta na 10-18nivo i dalje.7U ovom kontekstu, prijenos spektralne{0}}čistoće je značajka koja je potrebna za budućnost-za svaku laboratoriju optičkog sata, jer pruža mogućnost istraživanja različitih atomskih vrsta dok se pouzdano oslanja na jedan izvor za referenciranje frekvencijskog češlja.
Diseminacija putem optičkih mreža
Dok pionirski eksperimenti utiru put prenosivim optičkim satovima, današnji najprecizniji satovi ostaju stacionarne instalacije kojima upravljaju stručni timovi u nacionalnim metrološkim institutima, istraživačkim ustanovama i univerzitetima. S druge strane,-poređenja na daljinu i diseminacija ultrastabilnih signala sata su izvodljivi samo putem telekom opsega. Ovo predstavlja izazov za mrežne aplikacije, jer OFC-ovi zaključani na tranziciju optičkog takta obično ne mogu lako da se povezuju sa optičkim mrežama ili da omoguće distribuciju referentnih signala na druge lokacije.
Izazov proizlazi iz kombinovanog efekta skaliranja faznog šuma u konvencionalnim frekventnim češljevima i spektralnog jaza između prelaza optičkog sata i telekomunikacionog opsega. Kao što je ilustrovano na slici 6, prijenos spektralne čistoće prevazilazi ovu barijeru kako bi omogućio i poređenja satova na velike udaljenosti kao i širenje ultrastabilnih referenci u laboratorije koje ne koriste svoje optičke satove. Ova sposobnost otključava širok spektar uzbudljivih naučnih mogućnosti-uključujući napredak u kvantnim tehnologijama, visoko{5}}preciznu geodeziju, astronomiju, navigaciju i testove fundamentalne fizike.8,9
