Optische Frequenzkämme (OFCs) sind präzise Laserlichtquellen, deren Spektren aus einer Reihe gleichmäßig verteilter Frequenzlinien bestehen, die den Zähnen eines Kamms ähneln. Als hochpräzise Lineale zur Messung optischer Frequenzen haben OFCs seit ihrer Entwicklung Ende der 1990er Jahre die Präzisionsmessung und Messtechnik revolutioniert. Eine der wichtigsten durch OFCs ermöglichten Fähigkeiten ist die Übertragung der spektralen Reinheit. Es bezieht sich auf die Fähigkeit eines OFC, die spektrale Reinheit-Frequenzstabilität und schmale Linienbreite-einer Lichtquelle auf eine andere zu übertragen, die mit einer anderen Wellenlänge arbeitet.
In einer extrem rauscharmen Implementierung (patentiert von Menlo Systems).1) bewahrt die spektrale Reinheitsübertragung die Eigenschaften ultrastabiler optischer Referenzsysteme über das gesamte Kammspektrum, einschließlich frequenzkonvertierter Ausgänge, die den sichtbaren bis zum mittleren{1}Infrarot-Spektralbereich abdecken.
Einführung in optische Frequenzkämme
Ein OFC ist eine Laserquelle, deren optisches Spektrum aus einer Reihe diskreter, gleichmäßig-beabstandeter Frequenzlinien besteht. Im Frequenzbereich ähnelt diese regelmäßige Struktur den Zähnen eines Kamms. OFCs werden am häufigsten mit ultrakurzen, modengekoppelten Lasern erzeugt (siehe Abb. . 1, oben). Modelocking ist eine Technik, bei der die Longitudinalmoden eines Laserhohlraums gezwungen werden, mit einer festen Phasenbeziehung zu oszillieren. Folglich sendet der Laser eine Reihe ultrakurzer optischer Impulse aus. Der zirkulierende Impuls breitet sich im Laserresonator mit einer Wiederholungsrate hin und her ausfrep, die durch die Hohlraumumlaufzeit-bestimmt wird. Bei jedem Rundlauf wird über einen teildurchlässigen Spiegel eine kleine Menge Pulsenergie extrahiert, um die Laserleistung zu erzeugen. Im Zeitbereich erscheint diese Ausgabe als regelmäßiger Impulszug und im Frequenzbereich entspricht sie einem Kamm aus äquidistanten Spektrallinien (siehe Abb.. 1, unten).
Aufgrund der Dispersion in der Laserkavität unterscheidet sich die Gruppengeschwindigkeit der Impulshülle normalerweise von der Phasengeschwindigkeit des optischen Trägers. Diese Nichtübereinstimmung führt zu einer allmählichen PhasenverschiebungΔφder Trägerwelle in Bezug auf die Impulshüllkurve von einem Umlauf zum nächsten. Dieses Phänomen wird als Carrier-Envelope-Phasenversatz bezeichnet (siehe Abb.. 1, unten links).
Im Idealfall impliziert die Fourier-Beziehung zwischen dem Zeit- und dem Frequenzbereich bei Abwesenheit von Rauschen und externen Störungen, dass eine streng periodische Impulsfolge einem diskreten Satz gleichmäßig verteilter Frequenzmoden entspricht (siehe Abb. . 1, unten rechts).
Im Frequenzbereich die einzelnen Kammlinienνn sind gegeben durch:
vn = nfrep + fCEO,
Wonist ein Integer-Modus-Index,frepist die Pulswiederholungsrate undfCEObezeichnet die Carrier-{0}}Envelope-Offset-Frequenz. Das gesamte Kammspektrum wird um verschobenfCEOals Ergebnis der Phasenverschiebung der Puls-{0}}zu--Puls-Träger--Hüllkurve, während der Abstand zwischen benachbarten Linien ausschließlich durch bestimmt wirdfrep. In der Praxis ist sowohl die Wiederholungsratefrepund die Carrier-{0}}Envelope-Offset-FrequenzfCEO muss sowohl gemessen als auch aktiv stabilisiert werden, damit ein ultraschneller gepulster Laser als OFC funktioniert. Die Messung vonfrepist vergleichsweise einfach, da sie typischerweise im Bereich von mehreren zehn Megahertz bis einigen Gigahertz liegt und mit einer schnellen Fotodiode erfasst werden kann. Die Stabilisierung der Wiederholungsrate wird durch das Schließen einer Rückkopplungsschleife an den Aktoren erreicht, die eine effektive Anpassung der Hohlraumlänge ermöglicht. Im Gegensatz dazu messen und kontrollierenfCEOist deutlich komplexer und stellte in der frühen Entwicklung der OFC-Technologie eine große Herausforderung dar.
Frequenzkämme der Differenz-Frequenzerzeugung (DFG).
Historisch gesehen war eine der frühen Strategien für den Umgang mit der Trägerhüllkurven-Offsetfrequenz ein optisches Schema, das die Notwendigkeit einer expliziten Messung und Steuerung insgesamt vermeidet. Dies wird durch den inhärent trägerhüllkurvenphasenstabilen nichtlinearen Prozess der DFG erreicht, um eine Nachbildung des ursprünglichen Laserpulszugs zu erstellen, was zu einem Durchschnitt führt fCEOWert von Null (<fCEO>= 0). In solchen DFG--basierten OFCs werden zwei unterschiedliche Spektralkomponenten, die von demselben Laseroszillator stammen (typischerweise nach spektraler Verbreiterung in nichtlinearen Fasern), in einem nichtlinearen Kristall gemischt. Im Idealfall tragen beide Komponenten den gleichen WertfCEO, sodass durch Subtrahieren ihrer Frequenzen der Offset aufgehoben wird, um ein „offset-freies OFC“ zu erzeugen. Aus rein technischer Sicht bieten offset-freie OFCs Einfachheit, da sie nur einen Regelkreis erfordern: Ihre einzige Regelvariable ist die Wiederholungsratefrep. Dies bringt jedoch einen Kompromiss mit sich: einen Erwartungswert<fCEO>= 0 bedeutet nicht, dass es überhaupt nicht vorhanden istfCEOPhasenrauschen. Mit anderen Worten: Der DFG-Prozess entfernt zwar den durchschnittlichen Versatz, unterdrückt jedoch nicht das damit verbundene inkohärente RauschenfCEO (siehe Abb.. 2). Stattdessen wurde gezeigt, dass DFG--basierte OFCs eine quadratische Skalierung des Phasenrauschens mit der Frequenz aufweisen, beschrieben durch ein „elastisches Band“-Modell mit einem Fixpunkt bei der Frequenz Null.2
Im Nachhinein ist es erwähnenswert, dass die Technik der Erzeugung von offsetfreien Frequenzkämmen über die DFG ursprünglich von der Max-Planck-Gesellschaft patentiert wurde.3und in den frühen Tagen der OFC-Kommerzialisierung wurde es exklusiv an Menlo Systems lizenziert. Die Methode ist nach wie vor äußerst vorteilhaft für die Erzeugung von Frequenz-{1}}Kammstrahlung bei sonst schwer zugänglichen--Wellenlängen, weshalb wir die DFG weiterhin nutzen, um die spektrale Abdeckung auf das mittlere-Infrarot und darüber hinaus auszudehnen.
Selbst-referenzierte Frequenzkämme
Nach der Entwicklung der ersten praktischen Kammsysteme ermöglichten Fortschritte bei nichtlinearen optischen Fasern eine zuverlässige Erkennung des Trägerhüllkurvenversatzes. Diese Entwicklungen ermöglichten die relativ einfache und effiziente Erzeugung oktavübergreifender Kämme; Das heißt, Frequenzkämme decken einen Frequenzbereich ab, der mehr als das Doppelte ihrer niedrigsten Frequenz beträgt. Da oktavübergreifende Kammspektren verfügbar sind, kann die Träger-Hüllkurven-Offsetfrequenz mithilfe einer einfachen selbstreferenzierenden Methode charakterisiert werden. Diese Methode basiert auf einem Interferometer, das zwei unterschiedliche Teile des Kammspektrums überlagert: Ein Kammmodus mit Indexnam roten Ende des Spektrums
vn = nfrep + fCEO
wird durch einen nichtlinearen Kristall geschickt, um seine zweite Harmonische zu erzeugen
2vn = 2(nfrep + fCEO),
die um das Doppelte der Offset-Frequenz verschoben ist. Dieses frequenzverdoppelte Signal wird dann einem Kammmodus mit Index 2 gegenübergestelltn
v2n = 2nfrep + fCEO.
Die Schwebungsnote zwischen diesen beiden Frequenzen gibt direkt Aufschluss über die Träger-{0}}Hüllkurven-Offset-Frequenz:
2vn − v2n = fCEO.
Diese „f–2f“-Methode ist eine bahnbrechende Errungenschaft in der OFC-Technologie, da sie die direkte Messung der Trägerhüllkurven-Offsetfrequenz ermöglicht. Insbesondere unterstützt es die Implementierung dedizierter aktiver Dispersionskontrollaktoren innerhalb der Laserkavität für eine extrem rauscharme Stabilisierung und SteuerungfCEO(siehe Abb.. 3).
Übertragung der spektralen Reinheit
Eine wirksame Kontrolle und Stabilisierung der Freiheitsgrade eines optischen Frequenzkamms -seiner Wiederholungsrate sowie seiner Trägerfrequenz-Hüllkurvenversatzfrequenz-sind für Präzisionsanwendungen von entscheidender Bedeutung, die Linienbreiten und Stabilitäten erfordern, die weit über denen liegen, die mit jedem freilaufenden Kamm erreichbar sind (siehe Abbildung. 4a). Der allgegenwärtige Ansatz besteht darin, eine optische Sperre einzurichten; dh um die von einer externen optischen Referenz gelieferte spektrale Reinheit auf eine der Frequenzkammlinien zu übertragen. Die optischen Referenzsysteme von Menlo Systems erreichen routinemäßig Linienbreiten im Sub--Hertz-Bereich gepaart mit hervorragender Frequenzstabilität. Sie kombinieren einen Single-Mode-Dauerwellenlaser (CW), einen optischen Referenzhohlraum mit hoher{13}}Feinheit und die zugehörigen optischen und elektronischen Verriegelungskomponenten-, die alle für eine hohe Empfindlichkeit und eine große Verriegelungsbandbreite ausgelegt sind.4Der herkömmliche Aufbau zum Sperren eines OFC an eine externe optische Referenz ist in Abbildung 4b dargestellt. Eine solche Wiederholungsraten-Regelschleife basiert auf der Erkennung einer Schwebung zwischen dem CW-Referenzlaser und einem der Kammzähne, der Messung jeglicher Frequenzdrift und der entsprechenden Rückmeldung an den Wiederholungsratenaktuator des Kamms.
Obwohl das Schema den gewählten Kammzahn stabilisiert, ist entscheidend, dass nur der Abstand zwischen dem Referenzlaser und dieser einzelnen Kammlinie wirklich festgelegt ist: Da der Wiederholungsratenaktuator nur die Kontrolle über einen Freiheitsgrad ermöglicht, beeinflusst er hauptsächlich Kammlinien in der Nähe des Verriegelungspunkts. Folglich nehmen die Linienbreite und das Phasenrauschen mit der spektralen Entfernung von der optischen Referenz zu. Diese Einschränkung ist dem Verriegelungsschema innewohnend und unabhängig von der Kammarchitektur: Unabhängig davon, ob es sich um einen Offset-freien oder einen selbst-referenzierten Kamm handelt, wird sich die spektrale Reinheit bei einer Verriegelung allein über die Wiederholungsrate unweigerlich verschlechtern, je weiter eine Kammlinie von der externen optischen Referenz entfernt ist, und die Kammlinien der virtuellen RF-Domäne bleiben im Wesentlichen unberührt. Wie in Abbildung 4c dargestellt, erfordert die Übertragung der spektralen Reinheit über das gesamte Frequenzkammspektrum vielmehr die Ergänzung des Wiederholungsratenaktuators durch einen zweiten Regelkreis für die Träger-Hüllkurven-Offsetfrequenz (fCEO). So etwas engagierenfCEODie Rückkopplungsschleife erfüllt drei wesentliche Aufgaben: SperrenfCEObei einem gewählten Wert, Unterdrückung seines kohärenten und inkohärenten Rauschens und Reduzierung des Phasenrauschens über alle Kammzähne hinweg, die von der externen optischen Referenz entfernt sind. DerfCEODie Betätigung wirkt sich symmetrisch auf das Spektrum in dem Sinne aus, dass sie einen minimalen Einfluss auf Kammlinien in der Nähe der optischen Referenz hat, sich jedoch stark auf alle Kammlinien in großer Entfernung davon auswirkt, einschließlich sowohl der optischen als auch der virtuellen im RF--Bereich. Insgesamt kann die schnelle Schleife zur Steuerung der Träger--Hüllkurven-Offset-Frequenz als Aktuator angesehen werden, der den Wiederholungsraten-Aktuator-zur Sperrung des zweiten Freiheitsgrades eines OFC ergänzt.
Das Dual-Aktuator-Design von Menlo Systems ermöglicht eine echte Übertragung der spektralen Reinheit-, indem die spektrale Reinheit einer optischen Referenz über jede einzelne Kammlinie hinweg präzise reproduziert wird. Wie in Abbildung 5 dargestellt, bleibt die spektrale Reinheit auch während der gesamten Frequenzumwandlungsstufen erhalten, einschließlich der Frequenzverschiebung, der Erzeugung der zweiten Harmonischen oder der Superkontinuumserzeugung.
Anwendungsschwerpunkt: Optische Atomuhren
Die extrem rauscharme Technologie von Menlo Systems bietet Präzision im gesamten Spektrum und fördert Anwendungen, die höchste Präzision erfordern, wie etwa optische Atomuhren. In diesem Bereich ermöglichten unsere OFCs die Übertragung der präzisesten optischen Referenzen der Welt auf die präzisesten optischen Uhren der Welt, hoch{2}genaue artenübergreifende Uhrenvergleiche sowie die Verbreitung optischer Taktsignale über große Entfernungen über Glasfasernetze.
Höchste Präzision übertragen
Wie in Abbildung 6 dargestellt, sind optische Referenzkavitäten am häufigsten im nahen -IR-Wellenlängenbereich (typischerweise um 1550 nm) verfügbar, wo sie hervorragende Leistung und hohe Zuverlässigkeit bei vergleichsweise geringen Kosten bieten. Es überrascht nicht, dass dieser Wellenlängenbereich auch die derzeit leistungsstärksten Referenzkavitäten beherbergt. In einer bahnbrechenden Arbeit einer Zusammenarbeit von JILA (USA) und der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) zeigte ein kryogener monokristalliner Siliziumhohlraum mit Siliziumspiegeln eine fraktionale Frequenzinstabilität von nur 4 × 10-17bei einer Sekunde und einer Linienbreite von 5 MHz.5
Diese Entwicklung stellt eine zehnfache Verbesserung gegenüber hochmodernen Hohlräumen aus Ultralow-Expansion-Glas (ULE) bei Raumtemperatur dar. Um diese beispiellose Stabilität und Linienbreite von der Betriebswellenlänge des Hohlraums bei 1542 nm in den sichtbaren Spektralbereich für eine rekordverdächtige optische Strontium-Gitteruhr, die bei 698 nm betrieben wird, zu übertragen,6Forscher verlassen sich auf die extrem rauscharme Frequenzkammtechnologie von Menlo Systems (parallel dazu haben wir den kryogenen Hohlraum in unser Modell ORS-ULN eingebaut).
Uhr--zu-Uhr-Vergleich
Obwohl die aktuelle Definition der Sekunde, die auf dem 9,2-GHz-Hyperfeinübergang innerhalb von Cäsium beruht, seit mehr als einem halben Jahrhundert gilt, ist eine weltweite gemeinsame Anstrengung im Gange, um den SI-Standard unter Verwendung ultraschmaler optischer Übergänge innerhalb kalter Atome und gefangener Ionen neu zu definieren. Dementsprechend werden optische Uhren, die auf einer breiten Palette atomarer Spezies basieren, als Kandidaten erforscht. Um diese neuen Standards zu bewerten, müssen verschiedene optische Uhren mit höchster Präzision miteinander verglichen werden (siehe Abbildung. 6), aber ihre Übergangsfrequenzen können sich um Hunderte von Terahertz unterscheiden, was jede direkte elektronische Messung unmöglich macht.
Wie jüngste Arbeiten zeigen, können diese Frequenzlücken mit höchster Präzision durch spektrale Reinheitsübertragung überbrückt werden: Die extrem rauscharmen OFCs von Menlo Systems ermöglichen einen artenübergreifenden Taktvergleich bei der 10-18Niveau und darüber hinaus.7In diesem Zusammenhang ist der spektrale{0}}Reinheitstransfer eine zukunftssichere Funktion, die für jedes Labor für optische Uhren erforderlich ist, da er die Möglichkeit bietet, verschiedene Atomspezies zu untersuchen und sich gleichzeitig sicher auf eine einzige Quelle für die Referenzierung des Frequenzkamms zu verlassen.
Verbreitung über Glasfasernetze
Während bahnbrechende Experimente den Weg zu transportablen optischen Uhren ebnen, bleiben die präzisesten Uhren von heute stationäre Installationen, die von Expertenteams an nationalen Metrologieinstituten, Forschungseinrichtungen und Universitäten betrieben werden. Andererseits sind Fernvergleiche und die Verbreitung ultrastabiler Taktsignale nur über das Telekommunikationsband möglich. Dies stellt eine Herausforderung für Netzwerkanwendungen dar, da OFCs, die an einen optischen Taktübergang gekoppelt sind, normalerweise nicht ohne weiteres eine Schnittstelle zu Glasfasernetzwerken herstellen oder die Verteilung von Referenzsignalen an andere Standorte ermöglichen können.
Die Herausforderung ergibt sich aus dem kombinierten Effekt der Phasenrauschskalierung in herkömmlichen Frequenzkämmen und der spektralen Lücke zwischen den optischen Taktübergängen und dem Telekommunikationsband. Wie in Abbildung 6 dargestellt, überwindet die spektrale Reinheitsübertragung diese Barriere und ermöglicht sowohl Uhrenvergleiche über große Entfernungen als auch die Verbreitung ultrastabiler Referenzen an Labore, die keine eigenen optischen Uhren betreiben. Diese Fähigkeit erschließt ein breites Spektrum spannender wissenschaftlicher Möglichkeiten-einschließlich Fortschritte in der Quantentechnologie,-hochpräziser Geodäsie, Astronomie, Navigation und Tests der Grundlagenphysik.8,9
