OFC(광주파수 빗)는 스펙트럼이 빗살과 유사한{0}}일련의 일정한 간격의 주파수 선으로 구성된 정밀한 레이저 광원입니다. 광 주파수 측정을 위한 매우 정확한 눈금자로서 OFC는 1990년대 후반 개발 이후 정밀 측정 및 계측학에 혁명을 일으켰습니다. OFC가 지원하는 가장 중요한 기능 중 하나는 스펙트럼 순도 전송입니다. 이는 한 광원의 스펙트럼 순도-주파수 안정성과 좁은 선폭-을 다른 파장에서 작동하는 다른 광원으로 전달하는 OFC의 능력을 의미합니다.
초저{0}}잡음 구현(Menlo Systems 특허)1), 스펙트럼 순도 전달은 가시광선에서 중적외선 스펙트럼 영역에 이르는 주파수-변환 출력을 포함하여 전체 빗 스펙트럼에 걸쳐 매우 안정적인 광학 기준 시스템의 특성을 보존합니다.-
광주파수 빗 소개
OFC는 광학 스펙트럼이 일련의 개별적이고 동일한 간격으로 배치된 주파수 라인으로 구성된 레이저 소스입니다. 주파수 영역에서 이 규칙적인 구조는 빗살과 유사합니다. OFC는 가장 일반적으로 초단거리 모드락 레이저를 사용하여 생성됩니다(그림. 1, 상단 참조). 모델잠금(Modelocking)은 레이저 캐비티의 세로 모드가 고정된 위상 관계로 진동하도록 강제되는 기술입니다. 결과적으로 레이저는 일련의 초단거리 광 펄스를 방출합니다. 순환 펄스는 레이저 공진기 내부에서 반복 속도로 앞뒤로 전파됩니다.f대표, 이는 캐비티 왕복 시간에 의해 결정됩니다-. 각 왕복 동안 부분 투과형 거울을 통해 소량의 펄스 에너지가 추출되어 레이저 출력을 형성합니다. 시간 영역에서 이 출력은 일반 펄스열로 나타나고 주파수 영역에서는 등거리 스펙트럼 선의 빗살 모양에 해당합니다(아래 그림. 1 참조).
레이저 공동의 분산으로 인해 펄스 포락선의 군속도는 일반적으로 광학 매체의 위상 속도와 다릅니다. 이러한 불일치로 인해 점진적인 위상 변화가 발생합니다.Δφ한 왕복에서 다음 왕복까지의 펄스 엔벨로프에 대한 반송파의. 이 현상을 캐리어-엔벨로프 위상 오프셋이라고 합니다(왼쪽 아래 그림. 1 참조).
이상적으로, 잡음과 외부 섭동이 없는 경우 시간 영역과 주파수 영역 사이의 푸리에 관계는 엄격하게 주기적인 펄스 트레인이 동일한 간격의 주파수 모드의 개별 세트에 해당함을 의미합니다(그림. 1, 오른쪽 아래 참조).
주파수 영역에서 개별 빗살선은νn 다음과 같이 주어진다:
vn = nf대표 + fCEO,
어디n정수 모드 인덱스이고,f대표펄스 반복률이고,fCEO캐리어-엔벨로프 오프셋 주파수를 나타냅니다. 전체 빗 스펙트럼은 다음과 같이 이동됩니다.fCEO펄스-대-펄스 캐리어-엔벨로프 위상 슬립의 결과로 발생하며, 인접한 라인 사이의 간격은 전적으로 다음에 의해 결정됩니다.f대표. 실제로는 반복률이 모두f대표및 캐리어-엔벨로프 오프셋 주파수fCEO OFC로 작동하려면 초고속 펄스 레이저를 측정하고 적극적으로 안정화해야 합니다. 측정f대표일반적으로 수십 메가헤르츠에서 수 기가헤르츠 범위 내에 있고 고속 포토다이오드를 사용하여 감지할 수 있기 때문에 비교적 간단합니다. 효과적인 캐비티 길이 조정을 허용하는 액추에이터의 피드백 루프를 닫음으로써 반복 속도 안정화가 달성됩니다. 이에 비해 측정 및 제어는fCEO훨씬 더 복잡하며 OFC 기술의 초기 개발에 있어 주요 과제로 나타났습니다.
차이-주파수 생성(DFG) 주파수 빗
역사적으로 반송파{0}}포락선 오프셋 주파수를 처리하기 위한 초기 전략 중 하나는 명시적인 측정 및 제어가 전혀 필요하지 않은 광학 방식이었습니다. 이는 원래 레이저 펄스 열의 복제본을 생성하기 위해 본질적으로 DFG의 캐리어 포락선 위상 안정 비선형 프로세스를 사용하여 달성되며, 그 결과 평균 fCEO0의 값(<fCEO>= 0). 이러한 DFG- 기반 OFC에서는 동일한 레이저 발진기(일반적으로 비선형 섬유에서 스펙트럼 확장 후)에서 발생하는 두 개의 서로 다른 스펙트럼 구성 요소가 비선형 결정에 혼합됩니다. 이상적인 경우 두 구성 요소 모두 동일한 기능을 수행합니다.fCEO, 따라서 주파수를 빼면 오프셋이 취소되어 "오프셋-없는 OFC"가 생성됩니다. 순전히 기술적인 관점에서 볼 때 오프셋-이 없는 OFC는 단 하나의 제어 루프만 필요로 하여 단순성을 제공합니다. 유일한 제어 변수는 반복 속도입니다.f대표. 하지만 여기에는 트레이드오프가 따릅니다. 기대값<fCEO>= 0은(는) 전반적인 부재를 의미하지 않습니다.fCEO위상 잡음. 즉, DFG 프로세스는 평균 오프셋을 제거하지만 다음과 관련된 일관되지 않은 잡음은 억제하지 않습니다.fCEO (그림. 2 참조). 대신, DFG- 기반 OFC는 주파수에 따른 위상 잡음의 2차 스케일링을 나타내는 것으로 나타났습니다. 이는 0 주파수에 고정점이 있는 "탄성 테이프" 모델로 설명됩니다.2
돌이켜보면 DFG를 통해 상쇄-없는 주파수 빗을 생성하는 기술은 원래 막스 플랑크 협회(Max Planck Society)에서 특허를 받았다는 점에 주목할 가치가 있습니다.3OFC 상용화 초기에는 Menlo Systems에 독점 라이센스가 부여되었습니다. 이 방법은 접근하기 어려운-파장에서 주파수-빗 방사선을 생성하는 데 여전히 매우 유리합니다.-이것이 우리가 계속해서 DFG를 사용하여 스펙트럼 적용 범위를 중간{4}}적외선 이상으로 확장하는 이유입니다.
자체 참조 주파수 빗-
최초의 실용적인 빗 시스템 개발 이후 비선형 광섬유의 발전으로 안정적인 캐리어-포락선 오프셋 감지가 가능해졌습니다. 이러한 개발을 통해 상대적으로 간단하고 효율적인 옥타브-스패닝 콤 생성이 가능해졌습니다. 즉, 가장 낮은 주파수의 두 배 이상의 주파수 범위를 포괄하는 주파수 빗입니다. 옥타브-스패닝 콤 스펙트럼을 사용할 수 있으므로 간단한 자체 참조 방법을 사용하여 반송파-포락선 오프셋 주파수를 특성화할 수 있습니다. 이 방법은 빗살 스펙트럼의 두 가지 개별 부분을 헤테로다인하는 간섭계를 사용합니다. 인덱스가 있는 빗살 모드n스펙트럼의 붉은 끝에서
vn = nf대표 + fCEO
비선형 수정을 통해 전송되어 두 번째 고조파를 생성합니다.
2vn = 2(nf대표 + fCEO),
이는 오프셋 주파수의 두 배만큼 이동됩니다. 이 주파수-두배 신호는 인덱스 2의 콤 모드에 맞춰집니다.n
v2n = 2nf대표 + fCEO.
이 두 주파수 사이의 비트 노트는 반송파-엔벨로프 오프셋 주파수를 직접적으로 나타냅니다.
2vn − v2n = fCEO.
이 "f–2f" 방법은 반송파-엔벨로프 오프셋 주파수를 직접 측정할 수 있기 때문에 OFC 기술의 획기적인 성과에 가깝습니다. 특히, 초저소음 안정화 및 제어를 위해 레이저 캐비티 내부에 전용 능동 분산 제어 액츄에이터 구현을 지원합니다.fCEO(그림. 3 참조).
스펙트럼 순도 전달
광 주파수 빗의 자유도-반복 속도와 반송파-포락선 오프셋 주파수-의 효과적인 제어 및 안정화는 자유 실행 빗으로 달성할 수 있는 것보다 훨씬 높은 선폭과 안정성이 필요한 정밀 애플리케이션에 매우 중요합니다.-(그림. 4a 참조). 유비쿼터스 접근 방식은 광학 잠금 장치를 설정하는 것입니다. 즉, 외부 광학 기준에 의해 전달된 스펙트럼 순도를 주파수 빗선 중 하나로 전달하는 것입니다. Menlo Systems의 광학 참조 시스템은 탁월한 주파수 안정성과 함께 서브-헤르츠 선폭을 정기적으로 달성합니다. 이 장치는 단일{11}}모드 연속-파(CW) 레이저, 고-정교 광학 참조 공동, 관련 광학 및 전자 잠금 구성 요소를 결합합니다.-모두 높은 감도와 넓은 잠금 대역폭을 제공하도록 설계되었습니다.4OFC를 외부 광학 기준에 고정하기 위한 기존 설정이 그림 4b에 나와 있습니다. 이러한 반복률 제어 루프는 CW 기준 레이저와 빗살 중 하나 사이의 비트 노트를 감지하고, 주파수 드리프트를 측정하고, 이에 따라 빗의 반복률 액츄에이터에 피드백을 적용하는 데 의존합니다.
결정적으로, 이 방식은 선택한 빗살을 안정화하지만 기준 레이저와 해당 단일 빗살선 사이의 간격만 실제로 고정됩니다. 반복률 액추에이터는 단 하나의 자유도에 대한 제어를 제공하기 때문에 잠금 지점에 가까운 빗살선에 주로 영향을 미칩니다. 결과적으로 선폭과 위상 잡음은 광학 기준으로부터의 스펙트럼 거리에 따라 증가합니다. 이러한 제한은 잠금 방식에 내재되어 있으며 콤 아키텍처와 무관합니다. 오프셋-이 없는 콤이든 자체 참조된 콤이든 관계없이 반복 속도만으로 잠긴 경우 콤 라인이 외부 광학 기준에서 멀어질수록 스펙트럼 순도가 필연적으로 저하되고 가상 RF{4}}영역 콤 라인은 본질적으로 영향을 받지 않습니다. 오히려 그림 4c에 설명된 것처럼 전체 주파수 빗 스펙트럼에 걸친 스펙트럼 순도 전달은 반송파- 포락선 오프셋 주파수에 대한 두 번째 제어 루프로 반복률 액추에이터를 보완해야 합니다(fCEO). 이러한 참여fCEO피드백 루프는 세 가지 필수 작업을 수행합니다.fCEO선택한 값에서 일관성 있고 일관성 없는 잡음을 억제하고 외부 광학 기준에서 멀리 떨어져 있는 모든 빗살의 위상 잡음을 줄입니다. 그만큼fCEO작동은 광학 기준 근처에 있는 빗살선에 최소한의 영향을 미친다는 점에서 스펙트럼에 대해 대칭적으로 작용하지만 광학적 기준선과 RF{0}} 영역의 가상 빗살선을 포함하여 멀리 있는 모든 빗살선에 큰 영향을 미칩니다. 전반적으로 반송파-포락선 오프셋 주파수 제어를 위한 고속 루프는 OFC의 두 번째 자유도를 고정하기 위한 반복률 액추에이터를 보완하는 액추에이터로 인식될 수 있습니다.-
Menlo Systems의 이중 작동 설계를 통해 진정한 스펙트럼 순도 전송이 가능하며{0}}모든 단일 빗살선에 걸쳐 광학 기준의 스펙트럼 순도를 정확하게 복제합니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 스펙트럼 순도는 주파수 편이, 2차- 고조파 생성 또는 초연속체 생성을 포함한 주파수 변환 단계 전체에서 유지됩니다.
애플리케이션 스포트라이트: 광학 원자 시계
Menlo Systems의 초저{0}}잡음 기술은 스펙트럼 전반에 걸쳐 정밀도를 제공하여 광학 원자시계와 같이 가장 정밀한 성능이 필요한 응용 분야를 발전시킵니다. 이 분야에서 당사의 OFC는 세계에서 가장 정밀한 광학 시계로의 세계에서 가장 정밀한 광학 참조 전송, 고정밀-종간 시계 비교-는 물론 광섬유 네트워크를 통한 광학 시계 신호의 장거리-전파를 가능하게 했습니다.
최고의 정밀도를 전달
그림 6에서 볼 수 있듯이 광학 참조 공동은 근적외선 파장 영역(일반적으로 약 1550nm)에서 가장 일반적으로 사용 가능하며 비교적 저렴한 비용으로 우수한 성능과 높은 신뢰성을 제공합니다. 당연히 이 파장 범위는 현재 사용 가능한 최고 성능의 기준 공동을 호스팅합니다.- JILA(미국)와 Physikalisch-Technische Bundesanstalt(PTB, 독일 국립 계측 연구소)의 공동 작업에 의한 획기적인 연구에서 실리콘 거울이 있는 극저온 단결정 실리콘 캐비티는 4 × 10만큼 낮은 분수 주파수 불안정성을 보여주었습니다.-171초에, 선폭은 5mHz입니다.5
이러한 개발은 실온에서 최첨단-최신--ULE(초저팽창유리) 캐비티에 비해 10배 향상된 것입니다. 698nm에서 작동하는 기록적인-스트론튬 광학 격자 시계를 위해 1542nm의 공동 작동 파장에서 가시 스펙트럼 범위로 이 탁월한 안정성과 선폭을 전송하려면,6연구자들은 Menlo Systems의 초저-잡음 주파수 빗 기술을 사용합니다(동시에 우리는 ORS-ULN 모델에 극저온 공동을 설계했습니다).
시계{0}}간-비교
세슘 내 9.2GHz 초미세 전이에 의존하는 초의 현재 정의는 반세기 이상 지속되었지만, 차가운 원자와 포획된 이온 내부의 초미세 광학 전이를 사용하여 SI 표준을 재정의하려는 전 세계적 공동 노력이 진행 중입니다. 이에 따라 다양한 원자종을 기반으로 한 광시계가 후보로 모색되고 있다. 이러한 새로운 표준을 평가하려면 다양한 광학 시계를 최고 수준의 정밀도로 서로 비교해야 하지만(그림. 6 참조), 전이 주파수는 수백 테라헤르츠만큼 다를 수 있으며 이로 인해 직접적인 전자 측정이 불가능해집니다.
최근 연구에서 알 수 있듯이 이러한 주파수 격차는 스펙트럼 순도 전달을 통해 가장 높은 정밀도로 메워질 수 있습니다. Menlo Systems의 초저-잡음 OFC는 10에서 종간 클럭 비교를-가능하게 합니다.-18수준 이상.7이러한 맥락에서 스펙트럼{0}}순도 전송은 모든 광시계 연구실에 필요한 미래 지향적 기능입니다. 이는 주파수 빗을 참조하기 위해 단일 소스에 자신있게 의존하면서 다양한 원자종을 조사할 수 있는 옵션을 제공하기 때문입니다.
광섬유 네트워크를 통한 전파
선구적인 실험이 이동 가능한 광학 시계의 길을 닦고 있는 동안, 오늘날 가장 정밀한 시계는 국립 계측 기관, 연구 시설 및 대학의 전문가 팀이 운영하는 고정 장치로 남아 있습니다. 반면, 장거리-비교와 매우 안정적인 클록 신호의 전파는 통신 대역을 통해서만 가능합니다. 이는 광 클록 전환에 고정된 OFC가 일반적으로 파이버 네트워크와 쉽게 인터페이스할 수 없거나 참조 신호를 다른 사이트로 배포할 수 없기 때문에 네트워크 애플리케이션에 문제를 야기합니다.
문제는 기존 주파수 빗의 위상 잡음 스케일링과 광 클록 전환과 통신 대역 사이의 스펙트럼 간격이 결합된 효과에서 비롯됩니다. 그림 6에서 볼 수 있듯이 스펙트럼 순도 전송은 이 장벽을 극복하여 장거리 시계 비교는 물론 자체 광학 시계를 작동하지 않는 실험실에 매우 안정적인 참조 자료를 보급할 수 있습니다. 이 기능은 양자 기술의 발전, 고정밀 측지학, 천문학, 항법 및 기초 물리학 테스트를 포함하여{4}}광범위하고 흥미로운 과학적 기회를 열어줍니다.8,9
