Les pintes de freqüència òptica (OFC) són fonts de llum làser precises, els espectres de les quals consisteixen en una sèrie de línies de freqüència igualment-que s'assemblen a les dents d'una pinta. Com a regles d'alta precisió per mesurar freqüències òptiques, els OFC han revolucionat la mesura de precisió i la metrologia des del seu desenvolupament a finals dels anys noranta. Una de les capacitats més importants que permeten els OFC és la transferència de puresa espectral. Es refereix a la capacitat d'un OFC per transferir la puresa espectral-estabilitat de la freqüència i l'amplada de línia estreta- d'una font de llum a una altra que funciona a una longitud d'ona diferent.
En una implementació de-soroll ultra baix (patentada per Menlo Systems1), la transferència de puresa espectral conserva les característiques dels sistemes de referència òptics ultraestables a tot l'espectre del pentinat, incloses les sortides de freqüència-convertides que abasten les regions espectrals del visible a l'infraroig mitjà-.
Introducció a les pintes de freqüència òptica
Un OFC és una font làser l'espectre òptic de la qual consisteix en una sèrie de línies de freqüència discretes, igualment-espaiades. En el domini de la freqüència, aquesta estructura regular s'assembla a les dents d'una pinta. Els OFC es generen més habitualment mitjançant làsers ultracurts i modelats (vegeu la figura . 1, a la part superior). El modelatge és una tècnica en què els modes longitudinals d'una cavitat làser es veuen obligats a oscil·lar amb una relació de fase fixa. En conseqüència, el làser emet una sèrie de polsos òptics ultracurts. El pols circulant es propaga cap endavant i cap enrere dins del ressonador làser a una velocitat de repeticiófrep, que es determina pel temps d'anada i tornada-de la cavitat. Durant cada viatge d'anada i tornada, s'extreu una petita quantitat d'energia de pols mitjançant un mirall parcialment transmissiu per formar la sortida làser. En el domini del temps, aquesta sortida apareix com un tren de polsos regular i en el domini de la freqüència, correspon a una pinta de línies espectrals equidistants (vegeu la figura . 1, a baix).
A causa de la dispersió a la cavitat del làser, la velocitat del grup de l'embolcall del pols sol diferir de la velocitat de fase del portador òptic. Aquest desajust provoca un canvi de fase gradualΔφde l'ona portadora respecte a l'embolcall del pols d'un viatge d'anada i tornada al següent. Aquest fenomen s'anomena desplaçament de fase de l'embolcall de la portadora-(vegeu la figura. 1, inferior esquerra).
Idealment, en absència de soroll i pertorbacions externes, la relació de Fourier entre els dominis de temps i freqüència implica que un tren de polsos estrictament periòdic correspon a un conjunt discret de modes de freqüència igualment espaiats (vegeu la figura . 1, inferior dreta).
En el domini de la freqüència, les línies de pentinat individualsνn estan donades per:
vn = nfrep + fCEO,
onnés un índex de mode enter,frepés la freqüència de repetició del pols, ifCEOindica la freqüència de desplaçament de l'-embolcall de la portadora. Tot l'espectre de la pinta es desplaça perfCEOcom a resultat del lliscament de fase de l'embolcall de pols-a-portador de pols-, mentre que l'espai entre línies adjacents només es determina perfrep. A la pràctica, tant la taxa de repeticiófrepi la freqüència de desplaçament de l'-embolcall de la portadorafCEO s'han de mesurar i estabilitzar activament perquè un làser polsat ultraràpid funcioni com a OFC. La mesura defrepés relativament senzill, perquè normalment es troba dins del rang de desenes de megahertz a uns quants gigahertz i es pot detectar mitjançant un fotodíode ràpid. L'estabilització de la velocitat de repetició s'aconsegueix tancant un bucle de retroalimentació als actuadors que permeten ajustaments efectius de la longitud de la cavitat. En canvi, mesurar i controlarfCEOés significativament més complex i va representar un repte important en el desenvolupament inicial de la tecnologia OFC.
Pintes de freqüència de-generació de freqüència de diferència (DFG).
Històricament, una de les primeres estratègies per fer front a la freqüència de desplaçament de l'embolcall de la portadora{0}}era un esquema òptic que evitava la necessitat del seu mesurament i control explícits. Això s'aconsegueix utilitzant el procés no lineal estable de fase de l'embolcall inherent del portador de DFG per crear una rèplica del tren de polsos làser original, que resulta en una mitjana fCEOvalor zero (<fCEO>= 0). En aquests OFC basats en DFG-, dos components espectrals diferents provinents del mateix oscil·lador làser (normalment després de l'ampliació espectral en fibres no lineals) es barregen en un cristall no lineal. En un cas ideal, tots dos components portaran el mateixfCEO, de manera que si restes les seves freqüències, es cancel·larà el desplaçament per produir un "OFC lliure de compensació-". Des d'un punt de vista purament tècnic, els OFC lliures d'offset-ofereixen simplicitat perquè només requereixen un bucle de control: la seva única variable de control és la taxa de repetició.frep. Però això ve amb una compensació: un valor d'expectativa<fCEO>= 0 no implica l'absència general defCEOsoroll de fase. En altres paraules, mentre que el procés DFG elimina la compensació mitjana, no suprimeix el soroll incoherent associat ambfCEO (vegeu la figura . 2). En canvi, s'ha demostrat que els OFC basats en DFG-exhibeixen una escala quadràtica del soroll de fase amb freqüència, descrit per un model de "cinta elàstica" amb un punt fix a freqüència zero.2
En retrospectiva, val la pena assenyalar que la tècnica de generar pintes de freqüències lliures d'offset{0} mitjançant DFG va ser patentada originalment per la Max Planck Society,3i durant els primers dies de la comercialització de l'OFC es va llicenciar exclusivament a Menlo Systems. El mètode encara és molt avantatjós per a la generació de radiació de freqüència-comb en longituds d'ona d'--accés difícils d'altra manera, per això continuem utilitzant DFG per estendre la cobertura espectral a l'infraroig mitjà-i més enllà.
Pintes de freqüència autorreferenciades
Després del desenvolupament dels primers sistemes de pentinat pràctics, els avenços en fibres òptiques no lineals van permetre una detecció fiable del desplaçament de l'embolcall del portador{0}}. Aquests desenvolupaments van permetre la generació relativament senzilla i eficient de pintes d'octava-; és a dir, pintes de freqüència que cobreixen un rang de freqüències de més del doble de la seva freqüència més baixa. Amb espectres de pinta d'octava-disponibles, la freqüència de desplaçament de l'embolcall de la portadora-es pot caracteritzar mitjançant un mètode d'auto-referència senzill. Aquest mètode es basa en un interferòmetre que heterodina dues parts diferents de l'espectre del pentinat: un mode de pinta amb índex.na l'extrem vermell de l'espectre
vn = nfrep + fCEO
s'envia a través d'un cristall no lineal per generar el seu segon harmònic
2vn = 2(nfrep + fCEO),
que es desplaça el doble de la freqüència de compensació. A continuació, aquest senyal de freqüència-doblat es supera amb un mode pentinat amb índex 2n
v2n = 2nfrep + fCEO.
La nota de ritme entre aquestes dues freqüències revela directament la freqüència de desplaçament de l'embolcall de la portadora-:
2vn − v2n = fCEO.
Aquest mètode "f–2f" no és més que un assoliment històric en la tecnologia OFC perquè permet mesurar directament la freqüència de desplaçament de l'embolcall de la portadora-. En particular, admet la implementació d'actuadors de control de dispersió actius dedicats dins de la cavitat làser per a l'estabilització de soroll ultra baix i el control defCEO(vegeu la figura . 3).
Transferència de puresa espectral
El control i l'estabilització eficaços dels graus de llibertat d'una pinta de freqüència òptica{0}}la seva velocitat de repetició, així com de la seva -freqüència de compensació de l'embolcall- són crucials per a aplicacions de precisió, que requereixen amplades de línia i estabilitats molt més enllà de les que es poden aconseguir amb qualsevol pinta-de moviment lliure (vegeu la figura. 4a). L'enfocament omnipresent és establir un bloqueig òptic; és a dir, transferir la puresa espectral proporcionada per una referència òptica externa a una de les línies de pentinat de freqüència. Els sistemes de referència òptica de Menlo Systems aconsegueixen habitualment amples de línia sub-hertzs combinats amb excel·lents estabilitats de freqüència. Combinen un làser d'ona-contínua-mode únic (CW), una cavitat de referència òptica d'alta-finesa i els components de bloqueig òptics i electrònics associats-tots dissenyats per oferir una alta sensibilitat i un ample de banda de bloqueig ampli.4La configuració convencional per bloquejar un OFC a una referència òptica externa s'il·lustra a la figura 4b. Aquest bucle de control de freqüència de repetició es basa en detectar una nota de ritme entre el làser de referència CW i una de les dents de la pinta, mesurant qualsevol deriva de freqüència i aplicant retroalimentació a l'actuador de velocitat de repetició de la pinta en conseqüència.
De manera crucial, tot i que l'esquema estabilitza la dent de pentina escollida, només l'espai entre el làser de referència i aquesta línia de pinta única és realment fix: com que l'actuador de velocitat de repetició proporciona control sobre només un grau de llibertat, influeix principalment en les línies de pinta properes al punt de bloqueig. En conseqüència, l'amplada de línia i el soroll de fase augmenten amb la distància espectral de la referència òptica. Aquesta limitació és inherent a l'esquema de bloqueig i independent de l'arquitectura del pentinat: ja sigui una pinta de desplaçament-lliure o una pinta d'auto-referència, quan es bloqueja només mitjançant la velocitat de repetició, la puresa espectral es degradarà inevitablement com més allunyada estigui una línia de pinta de la referència òptica externa, i deixarà les línies de RF{4} essencialment afectades. Més aviat, com s'il·lustra a la figura 4c, la transferència de puresa espectral a tot l'espectre del pentinat de freqüència requereix complementar l'actuador de velocitat de repetició amb un segon bucle de control per a la freqüència de desplaçament de l'embolcall de la portadora-(fCEO). Implicant talfCEOEl bucle de retroalimentació realitza tres tasques essencials: BloquejarfCEOa un valor escollit, suprimint el seu soroll coherent i incoherent i reduint el soroll de fase a totes les dents de la pinta que es troben allunyades de la referència òptica externa. ElfCEOl'actuació actua de manera simètrica sobre l'espectre en el sentit que té una influència mínima en les línies de pentinat properes a la referència òptica, però afecta fortament totes les línies de pinta allunyades d'ella, incloses tant les òptiques com les virtuals del domini RF-. En general, el bucle ràpid per al control de freqüència de desplaçament de l'embolcall de la portadora-es pot percebre com un actuador que complementa l'actuador de velocitat de repetició-per bloquejar el segon grau de llibertat d'un OFC.
El disseny d'accionament dual de Menlo Systems permet una transferència de puresa espectral real-replica amb precisió la puresa espectral d'una referència òptica a cada línia de pinta. Com s'il·lustra a la figura 5, la puresa espectral també es manté durant les etapes de conversió de freqüència, inclòs el canvi de freqüència, la generació de segon-harmònic o la generació de supercontinu.
Aplicació destacada: rellotges atòmics òptics
La tecnologia de-soroll ultra baix de Menlo Systems ofereix precisió en tot l'espectre, fent avançar les aplicacions que requereixen el rendiment més precís, com ara els rellotges atòmics òptics. En aquest camp, els nostres OFC van permetre la transferència de les referències òptiques més precises del món als rellotges òptics més precisos del món, comparacions de rellotges entre espècies d'alta-precisió-espècies, així com la difusió a llarg-de senyals de rellotge òptic a través de xarxes de fibra.
Transferència de la màxima precisió
Tal com s'il·lustra a la figura 6, les cavitats òptiques de referència estan més habitualment disponibles a la regió de longitud d'ona propera-IR (normalment al voltant de 1550 nm), on ofereixen un rendiment excel·lent i una gran fiabilitat a un cost relativament baix. No és sorprenent que aquest rang de longituds d'ona també allotja les cavitats de referència de -més rendiment disponibles actualment. En un treball innovador de la col·laboració de JILA (EUA) i Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; l'Institut Nacional de Metrologia d'Alemanya), una cavitat de silici monocristal·lí criogènica amb miralls de silici va demostrar una inestabilitat de freqüència fraccional tan baixa com 4 × 10.-17en un segon i una amplada de línia de 5 mHz.5
Aquest desenvolupament suposa una millora deu vegades respecte a les cavitats de vidre d'expansió ultra baixa (ULE) a temperatura ambient--de-última generació. Per transferir aquesta estabilitat i amplada de línia inigualables des de la longitud d'ona operativa de la cavitat a 1542 nm al rang espectral visible per a un rellotge de gelosia òptic d'estronci de rècord-funcionat a 698 nm,6els investigadors confien en la tecnologia de pinta de freqüència de soroll-ultrabaix de Menlo Systems (en paral·lel, vam dissenyar la cavitat criogènica al nostre model ORS-ULN).
Comparació rellotge-a-rellotge
Tot i que la definició actual del segon que es basa en la transició hiperfina de 9,2 GHz dins del cesi ha durat més de mig segle, s'està duent a terme un esforç de col·laboració global per redefinir l'estàndard SI mitjançant transicions òptiques ultraestretes dins d'àtoms freds i ions atrapats. En conseqüència, s'estan explorant com a candidats rellotges òptics basats en una àmplia gamma d'espècies atòmiques. Per avaluar aquests nous estàndards, s'han de comparar diversos rellotges òptics entre si amb el màxim nivell de precisió (vegeu la figura . 6), però les seves freqüències de transició poden diferir en centenars de terahertzs i fa impossible qualsevol mesura electrònica directa.
Tal com demostren treballs recents, aquests buits de freqüència es poden salvar amb la màxima precisió mitjançant la transferència de puresa espectral: els OFC de soroll ultrabaix-de Menlo Systems permeten la comparació de rellotges entre espècies-a les 10.-18nivell i més enllà.7En aquest context, la transferència de -puresa espectral és una característica a prova de futur-necessària per a qualsevol laboratori de rellotges òptics, perquè ofereix l'opció d'investigar diverses espècies atòmiques alhora que confia amb confiança en una única font per fer referència a la pinta de freqüència.
Difusió a través de xarxes de fibra
Tot i que els experiments pioners estan obrint el camí cap a rellotges òptics transportables, els rellotges més precisos actuals continuen sent instal·lacions estacionàries operades per equips experts en instituts nacionals de metrologia, instal·lacions de recerca i universitats. D'altra banda, les comparacions de llarga-distància i la difusió de senyals de rellotge ultraestables només són factibles a través de la banda de telecomunicacions. Això imposa un repte per a les aplicacions de xarxa, perquè els OFC bloquejats a una transició de rellotge òptic normalment no poden connectar fàcilment amb xarxes de fibra ni permetre la distribució de senyals de referència a altres llocs.
El repte deriva de l'efecte combinat de l'escala del soroll de fase en les pintes de freqüència convencionals i la bretxa espectral entre les transicions del rellotge òptic i la banda de telecomunicacions. Tal com s'il·lustra a la figura 6, la transferència de puresa espectral supera aquesta barrera per permetre tant comparacions de rellotges de llarga-distància com la difusió de referències ultraestables als laboratoris que no operen els seus propis rellotges òptics. Aquesta capacitat obre una àmplia gamma d'oportunitats científiques interessants-incloent-hi els avenços en tecnologies quàntiques, geodèsia d'alta-precisió, astronomia, navegació i proves de física fonamental.8,9
