Sisir frekuensi optik: Transfer kemurnian spektral

Sisir frekuensi optik (OFC) adalah sumber cahaya laser presisi yang spektrumnya terdiri dari serangkaian-garis frekuensi dengan jarak yang sama dan menyerupai gigi sisir. Sebagai penggaris yang sangat akurat untuk mengukur frekuensi optik, OFC telah merevolusi pengukuran presisi dan metrologi sejak dikembangkan pada akhir tahun 1990an. Salah satu kemampuan terpenting yang dimungkinkan oleh OFC adalah transfer kemurnian spektral. Hal ini mengacu pada kemampuan OFC untuk mentransfer kemurnian spektral-stabilitas frekuensi dan lebar garis sempit-dari satu sumber cahaya ke sumber cahaya lain yang beroperasi pada panjang gelombang berbeda.

Dalam implementasi{0}}kebisingan sangat rendah (dipatenkan oleh Menlo Systems¹), transfer kemurnian spektral mempertahankan karakteristik sistem referensi optik ultrastabil di seluruh spektrum sisir, termasuk frekuensi-output yang dikonversi yang mencakup wilayah spektral inframerah tengah-tampak.

Pengantar sisir frekuensi optik

OFC adalah sumber laser yang spektrum optiknya terdiri dari serangkaian garis frekuensi yang terpisah dan berjarak-sama. Dalam domain frekuensi, struktur teratur ini menyerupai gigi sisir. OFC paling sering dihasilkan menggunakan laser ultrashort dan modellocked (lihat Gambar. 1, atas). Modellocking adalah teknik di mana mode longitudinal rongga laser dipaksa berosilasi dengan hubungan fase tetap. Akibatnya, laser memancarkan serangkaian pulsa optik ultrashort. Pulsa yang bersirkulasi merambat bolak-balik di dalam resonator laser dengan kecepatan berulangf_reputasi, yang ditentukan oleh waktu-perjalanan rongga. Selama setiap perjalanan bolak-balik, sejumlah kecil energi pulsa diekstraksi melalui cermin transmisif sebagian untuk membentuk keluaran laser. Dalam domain waktu, keluaran ini muncul sebagai rangkaian pulsa reguler dan dalam domain frekuensi, keluaran ini berhubungan dengan sisir garis spektrum yang berjarak sama (lihat Gambar. 1, bawah).

Karena dispersi dalam rongga laser, kecepatan kelompok selubung pulsa biasanya berbeda dari kecepatan fase pembawa optik. Ketidakcocokan ini menghasilkan pergeseran fase secara bertahapΔφgelombang pembawa terhadap selubung pulsa dari satu perjalanan ke perjalanan berikutnya. Fenomena ini disebut sebagai offset fase amplop pembawa-(lihat Gambar. 1, kiri bawah).

Idealnya, ketika tidak ada kebisingan dan gangguan eksternal, hubungan Fourier antara domain waktu dan frekuensi menyiratkan bahwa rangkaian pulsa periodik berhubungan dengan serangkaian mode frekuensi dengan jarak yang sama (lihat Gambar. 1, kanan bawah).

Dalam domain frekuensi, garis sisir individualν_n diberikan oleh:

v_n = nf_reputasi + f_CEO,

Di mananadalah indeks mode bilangan bulat,f_reputasiadalah tingkat pengulangan denyut nadi, danf_CEOmenunjukkan frekuensi offset amplop-pembawa. Seluruh spektrum sisir digeser sebesarf_CEOsebagai akibat dari slip fase amplop-ke-pembawa pulsa-, sedangkan jarak antar garis yang berdekatan hanya ditentukan olehf_reputasi. Dalam prakteknya, kedua tingkat pengulanganf_reputasidan frekuensi offset amplop{0}}pembawaf_CEO harus diukur dan distabilkan secara aktif agar laser berdenyut ultracepat dapat berfungsi sebagai OFC. Pengukuranf_reputasirelatif mudah, karena biasanya terletak dalam kisaran puluhan megahertz hingga beberapa gigahertz dan dapat dideteksi menggunakan fotodioda cepat. Stabilisasi laju pengulangan dicapai dengan menutup putaran umpan balik pada aktuator yang memungkinkan penyesuaian panjang rongga secara efektif. Sebaliknya, mengukur dan mengendalikanf_CEOsecara signifikan lebih kompleks dan merupakan tantangan besar dalam pengembangan awal teknologi OFC.

Perbedaan-sisir frekuensi pembangkitan frekuensi (DFG).

Secara historis, salah satu strategi awal untuk menangani frekuensi offset amplop pembawa adalah skema optik yang sama sekali tidak memerlukan pengukuran dan kontrol eksplisit. Hal ini dicapai dengan menggunakan proses nonlinier stabil fase amplop pembawa dari DFG untuk membuat replika rangkaian pulsa laser asli, yang menghasilkan rata-rata f_CEOnilai nol (<f_CEO>= 0). Dalam OFC berbasis DFG- tersebut, dua komponen spektral berbeda yang berasal dari osilator laser yang sama (biasanya setelah perluasan spektral pada serat nonlinier) dicampur dalam kristal nonlinier. Idealnya, kedua komponen akan memiliki fungsi yang samaf_CEO, jadi mengurangkan frekuensinya akan menghilangkan offset dan menghasilkan "OFC bebas{0}}offset". Dari sudut pandang teknis semata, OFC bebas offset-menawarkan kesederhanaan dengan hanya memerlukan satu putaran kontrol: Satu-satunya variabel kontrolnya adalah tingkat pengulanganf_reputasi. Namun hal ini ada konsekuensinya: Nilai ekspektasi<f_CEO>= 0 tidak berarti tidak adanya keseluruhanf_CEOkebisingan fase. Dengan kata lain, meskipun proses DFG menghilangkan offset rata-rata, proses ini tidak menekan noise yang tidak koheren yang terkait dengannyaf_CEO (lihat Gambar. 2). Sebaliknya, OFC berbasis DFG-telah terbukti menunjukkan penskalaan kuadrat kebisingan fase dengan frekuensi, yang dijelaskan oleh model "pita elastis" dengan titik tetap pada frekuensi nol.²

Jika ditinjau kembali, perlu dicatat bahwa teknik menghasilkan sisir frekuensi bebas offset-melalui DFG pada awalnya dipatenkan oleh Max Planck Society,³dan pada masa-masa awal komersialisasi OFC, lisensi tersebut secara eksklusif diberikan kepada Menlo Systems. Metode ini masih sangat menguntungkan untuk menghasilkan radiasi sisir frekuensi pada panjang gelombang yang sulit diakses, itulah sebabnya kami terus menggunakan DFG untuk memperluas cakupan spektral hingga inframerah pertengahan dan seterusnya.

Sisir frekuensi-yang direferensikan sendiri

Setelah pengembangan sistem sisir praktis yang pertama, kemajuan dalam serat optik nonlinier memungkinkan deteksi offset amplop pembawa yang andal. Perkembangan ini memungkinkan pembuatan sisir rentang oktaf yang relatif sederhana dan efisien; yaitu, sisir frekuensi yang mencakup rentang frekuensi lebih dari dua kali frekuensi terendahnya. Dengan tersedianya spektrum sisir rentang oktaf-, frekuensi offset amplop pembawa dapat dikarakterisasi menggunakan metode referensi mandiri-yang mudah. Metode ini mengandalkan interferometer yang melakukan heterodynes pada dua bagian berbeda dari spektrum sisir: Mode sisir dengan indeksndi ujung merah spektrum

v_n = nf_reputasi + f_CEO

dikirim melalui kristal nonlinier untuk menghasilkan harmonik kedua

2v_n = 2(nf_reputasi + f_CEO),

yang digeser dua kali frekuensi offset. Sinyal frekuensi-dua kali lipat ini kemudian dikalahkan pada mode sisir dengan indeks 2n

v_2n = 2nf_reputasi + f_CEO.

Nada ketukan antara dua frekuensi ini secara langsung menunjukkan frekuensi-penggeseran amplop pembawa:

2v_n − v_2n = f_CEO.

Metode "f–2f" ini merupakan pencapaian penting dalam teknologi OFC karena memungkinkan pengukuran langsung frekuensi offset amplop pembawa. Secara khusus, ini mendukung penerapan aktuator kontrol dispersi aktif khusus di dalam rongga laser untuk stabilisasi kebisingan ultralow dan kontrolf_CEO(lihat Gambar. 3).

Transfer kemurnian spektral

Kontrol dan stabilisasi yang efektif terhadap derajat kebebasan sisir frekuensi optik-laju pengulangannya serta frekuensi pembawanya-frekuensi offset amplop-sangat penting untuk aplikasi presisi, yang memerlukan lebar garis dan stabilitas yang jauh melebihi yang dapat dicapai dengan sisir yang berjalan bebas-(lihat Gambar. 4a). Pendekatan yang banyak dilakukan adalah dengan memasang kunci optik; yaitu, untuk mentransfer kemurnian spektral yang dikirimkan oleh referensi optik eksternal ke salah satu garis sisir frekuensi. Sistem referensi optik Menlo Systems secara rutin mencapai lebar saluran sub-hertz yang dipadukan dengan stabilitas frekuensi yang sangat baik. Mereka menggabungkan laser gelombang-berkelanjutan (CW) mode tunggal, rongga referensi optik dengan kehalusan tinggi, dan komponen pengunci optik dan elektronik terkait, semuanya dirancang untuk memberikan sensitivitas tinggi dan bandwidth penguncian yang lebar.⁴Pengaturan konvensional untuk mengunci OFC ke referensi optik eksternal diilustrasikan pada Gambar 4b. Loop kontrol laju pengulangan seperti itu bergantung pada pendeteksian nada ketukan antara laser referensi CW dan salah satu gigi sisir, mengukur penyimpangan frekuensi apa pun, dan menerapkan umpan balik ke aktuator laju pengulangan sisir.

Yang terpenting, meskipun skema ini menstabilkan gigi sisir yang dipilih, hanya jarak antara laser referensi dan garis sisir tunggal tersebut yang benar-benar tetap: Karena aktuator laju pengulangan hanya memberikan kontrol pada satu derajat kebebasan, hal ini terutama memengaruhi garis sisir yang dekat dengan titik penguncian. Akibatnya, lebar garis dan gangguan fasa meningkat seiring dengan jarak spektral dari referensi optik. Keterbatasan ini melekat pada skema penguncian dan tidak bergantung pada arsitektur sisir: Baik sisir-bebas offset atau-yang direferensikan sendiri, ketika dikunci melalui laju pengulangan saja, kemurnian spektral pasti akan menurunkan semakin jauh garis sisir dari referensi optik eksternal, dan membiarkan garis sisir domain RF-virtual pada dasarnya tidak terpengaruh. Sebaliknya, seperti yang diilustrasikan pada Gambar 4c, transfer kemurnian spektral di seluruh spektrum sisir frekuensi memerlukan pelengkap aktuator laju pengulangan dengan loop kontrol kedua untuk frekuensi offset amplop pembawa (-f_CEO). Melibatkan seperti ituf_CEOputaran umpan balik menyelesaikan tiga tugas penting: Menguncif_CEOpada nilai yang dipilih, menekan kebisingan yang koheren dan tidak koheren, dan mengurangi kebisingan fase di seluruh gigi sisir yang jauh dari referensi optik eksternal. Ituf_CEOaktuasi bertindak secara simetris pada spektrum dalam arti bahwa ia memiliki pengaruh minimal pada garis sisir di dekat referensi optik, namun sangat mempengaruhi semua garis sisir yang jauh darinya, termasuk garis optik maupun virtual dalam domain-RF. Secara keseluruhan, loop cepat untuk kontrol frekuensi offset amplop pembawa dapat dianggap sebagai aktuator yang melengkapi aktuator laju pengulangan-untuk mengunci derajat kebebasan kedua OFC.

Desain aktuasi ganda Menlo Systems memungkinkan transfer kemurnian spektral yang sebenarnya-dengan mereplikasi kemurnian spektral referensi optik secara tepat di setiap garis sisir. Seperti yang diilustrasikan pada Gambar 5, kemurnian spektral juga dipertahankan sepanjang tahapan konversi frekuensi, termasuk pergeseran frekuensi, pembangkitan harmonik kedua, atau pembangkitan superkontinuum.

Sorotan aplikasi: Jam atom optik

Teknologi kebisingan ultrarendah dari Menlo Systems-memberikan presisi di seluruh spektrum, memajukan aplikasi yang memerlukan kinerja paling presisi, seperti jam atom optik. Dalam bidang ini, OFC kami memungkinkan transfer referensi optik paling presisi di dunia ke jam optik paling presisi di dunia, perbandingan jam-akurasi tinggi lintas-spesies, serta-penyebaran sinyal jam optik jarak jauh melalui jaringan fiber.

Mentransfer presisi tertinggi

Seperti diilustrasikan dalam Gambar 6, rongga referensi optik paling umum tersedia di wilayah panjang gelombang IR dekat (biasanya sekitar 1550 nm), yang menawarkan kinerja luar biasa dan keandalan tinggi dengan biaya yang relatif rendah. Tidak mengherankan, rentang panjang gelombang ini juga menampung rongga referensi-berperforma tertinggi yang tersedia saat ini. Dalam karya terobosan yang dilakukan oleh kolaborasi JILA (AS) dan Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; Institut Metrologi Nasional Jerman), rongga silikon monokristalin kriogenik dengan cermin silikon menunjukkan ketidakstabilan frekuensi pecahan serendah 4 × 10^-17pada satu detik, dan lebar garis 5 mHz.⁵

Perkembangan ini merupakan peningkatan sepuluh kali lipat dibandingkan rongga kaca ekspansi ultralow (ULE) yang canggih pada suhu kamar. Untuk mentransfer stabilitas dan lebar garis yang tak tertandingi ini dari panjang gelombang operasional rongga pada 1542 nm ke dalam rentang spektral tampak untuk jam kisi optik strontium pemecah rekor yang dioperasikan pada 698 nm,⁶para peneliti mengandalkan teknologi sisir frekuensi kebisingan ultralow-Menlo Systems (secara paralel, kami merekayasa rongga kriogenik ke dalam model ORS-ULN kami).

Perbandingan jam-ke-jam

Meskipun definisi detik saat ini yang mengandalkan transisi hiperhalus 9,2 GHz dalam cesium telah berlaku selama lebih dari setengah abad, upaya kolaboratif global sedang dilakukan untuk mendefinisikan ulang standar SI menggunakan transisi optik ultrasempit di dalam atom dingin dan ion yang terperangkap. Oleh karena itu, jam optik berdasarkan berbagai spesies atom sedang dieksplorasi sebagai kandidat. Untuk mengevaluasi standar baru ini, berbagai jam optik harus dibandingkan satu sama lain pada tingkat presisi tertinggi (lihat Gambar. 6), namun frekuensi transisinya dapat berbeda hingga ratusan terahertz dan hal ini membuat pengukuran elektronik langsung menjadi tidak mungkin dilakukan.

Seperti yang ditunjukkan oleh penelitian terbaru, kesenjangan frekuensi ini dapat dijembatani dengan presisi tertinggi melalui transfer kemurnian spektral: OFC kebisingan-sangat rendah dari Menlo Systems memungkinkan perbandingan jam-lintas spesies pada 10^-18tingkat dan seterusnya.⁷Dalam konteks ini, transfer kemurnian-spektral adalah fitur-masa depan yang diperlukan untuk laboratorium jam optik mana pun, karena menyediakan opsi untuk menyelidiki berbagai spesies atom sambil tetap mengandalkan satu sumber untuk mereferensikan sisir frekuensi.

Penyebaran melalui jaringan fiber

Meskipun eksperimen perintis membuka jalan bagi jam optik yang dapat diangkut, jam paling presisi saat ini masih berupa instalasi stasioner yang dioperasikan oleh tim ahli di lembaga metrologi nasional, fasilitas penelitian, dan universitas. Di sisi lain,-perbandingan jarak jauh dan penyebaran sinyal jam ultrastabil hanya dapat dilakukan melalui pita telekomunikasi. Hal ini menimbulkan tantangan bagi aplikasi jaringan, karena OFC yang dikunci pada transisi jam optik biasanya tidak dapat dengan mudah berinteraksi dengan jaringan serat atau memungkinkan distribusi sinyal referensi ke situs lain.

Tantangannya berasal dari efek gabungan penskalaan kebisingan fase pada sisir frekuensi konvensional dan kesenjangan spektral antara transisi jam optik dan pita telekomunikasi. Seperti yang diilustrasikan dalam Gambar 6, transfer kemurnian spektral mengatasi hambatan ini untuk memungkinkan perbandingan jam-jarak jauh serta penyebaran referensi ultrastabil ke laboratorium yang tidak mengoperasikan jam optiknya sendiri. Kemampuan ini membuka berbagai peluang ilmiah yang menarik-termasuk kemajuan teknologi kuantum,-geodesi presisi tinggi, astronomi, navigasi, dan pengujian fisika dasar.^8,9