Pettijiet tal-frekwenza ottika (OFCs) huma sorsi preċiżi tad-dawl tal-lejżer li l-ispettri tagħhom jikkonsistu f'serje ta' linji ta' frekwenza spazjati b'mod ugwali-li jixbħu snien ta' moxt. Bħala mexxejja preċiżi ħafna għall-kejl tal-frekwenzi ottiċi, l-OFCs irrevoluzzjonaw il-kejl ta 'preċiżjoni u l-metroloġija mill-iżvilupp tagħhom fl-aħħar tad-disgħinijiet. Waħda mill-aktar kapaċitajiet importanti attivati mill-OFCs hija t-trasferiment tal-purità spettrali. Jirreferi għall-abbiltà ta' OFC li jittrasferixxi l-purità spettrali-l-istabbiltà tal-frekwenza u l-wisa' tal-linja dejqa- ta' sors tad-dawl għal ieħor li jaħdem f'tul ta' mewġ differenti.
F'implimentazzjoni ta'-storbju ultrabaxx (brevettata minn Menlo Systems1), it-trasferiment tal-purità spettrali jippreserva l-karatteristiċi ta 'sistemi ta' referenza ottiċi ultrastabbli tul l-ispettru kollu tal-moxt, inklużi outputs frekwenza-konvertiti li jkopru r-reġjuni spettrali infrared viżibbli sa nofs-.
Introduzzjoni għall-pettijiet tal-frekwenza ottika
OFC huwa sors tal-lejżer li l-ispettru ottiku tiegħu jikkonsisti f'serje ta' linji ta' frekwenza diskreti, ugwalment{0}}spazjati. Fil-qasam tal-frekwenza, din l-istruttura regolari tixbah is-snien ta 'moxt. L-OFCs huma l-aktar komunement ġġenerati bl-użu ta' lejżers ultrashort, modelcked (ara Fig. 1, fuq). Modelocking hija teknika li fiha l-modi lonġitudinali ta 'kavità tal-lejżer huma sfurzati joxxillaw b'relazzjoni ta' fażi fissa. Konsegwentement, il-lejżer jarmi serje ta 'impulsi ottiċi ultrashort. Il-polz li jiċċirkola jippropaga 'l quddiem u lura ġewwa r-resonatur tal-lejżer b'rata ta' ripetizzjonifrep, li hija determinata mill-ħin tal-vjaġġ bir-ritorn tal-kavità-. Matul kull vjaġġ bir-ritorn, ammont żgħir ta 'enerġija tal-polz jiġi estratt permezz ta' mera parzjalment trażmissjoni biex tifforma l-output tal-lejżer. Fid-dominju tal-ħin, dan l-output jidher bħala ferrovija tal-polz regolari u fid-dominju tal-frekwenza, jikkorrispondi għal moxt ta 'linji spettrali ekwidistanti (ara Fig . 1, qiegħ).
Minħabba t-tixrid fil-kavità tal-lejżer, il-veloċità tal-grupp tal-pakkett tal-polz ġeneralment tvarja mill-veloċità tal-fażi tat-trasportatur ottiku. Dan in-nuqqas ta' qbil jirriżulta f'bidla gradwali fil-fażiΔφtal-mewġa tal-ġarr fir-rigward tal-pakkett tal-polz minn vjaġġ bir-ritorn għall-ieħor. Dan il-fenomenu jissejjaħ carrier-envelope phase offset (ara Fig. 1, t'isfel tax-xellug).
Idealment, fin-nuqqas ta 'ħsejjes u perturbazzjonijiet esterni, ir-relazzjoni ta' Fourier bejn id-dominji tal-ħin u tal-frekwenza timplika li ferrovija tal-polz strettament perjodika tikkorrispondi għal sett diskret ta 'modi ta' frekwenza spazjati b'mod ugwali (ara Fig . 1, lemin t'isfel).
Fil-qasam tal-frekwenza, il-linji tal-moxt individwaliνn huma mogħtija minn:
vn = nfrep + fceo,
fejnnhuwa indiċi tal-mod integer,frephija r-rata ta' ripetizzjoni tal-polz, ufceotindika l-frekwenza ta' l-offset ta' l-envelop ta' trasportatur-. L-ispettru kollu moxt huwa mċaqlaq minnfceobħala riżultat tal-polz-to-pulse carrier-envelope phase slip, filwaqt li l-ispazjar bejn il-linji ħdejn xulxin huwa ddeterminat biss minnfrep. Fil-prattika, kemm ir-rata ta 'ripetizzjonifrepu l-frekwenza ta' l-offset ta' l-envelop ta' trasportatur-fceo iridu kemm jitkejlu kif ukoll stabbilizzati b'mod attiv biex laser pulsat ultraveloċi jiffunzjona bħala OFC. Il-kejl tafrephija komparattivament sempliċi, minħabba li tipikament tinsab fil-medda ta 'għexieren ta' megahertz sa ftit gigahertz u tista 'tinstab bl-użu ta' photodiode veloċi. L-istabbilizzazzjoni tar-rata ta 'ripetizzjoni tinkiseb billi tagħlaq ċirku ta' feedback fuq attwaturi li jippermettu aġġustamenti effettivi tat-tul tal-kavità. B'kuntrast, kejl u kontrollfceohija sinifikament aktar kumplessa u rrappreżentat sfida ewlenija fl-iżvilupp bikri tat-teknoloġija OFC.
Pettnijiet tal-frekwenza tal--differenza tal-ġenerazzjoni tal-frekwenza (DFG).
Storikament, waħda mill-istrateġiji bikrija biex tittratta l-frekwenza tal-offset tal-envelope carrier-kienet skema ottika li tevita għal kollox il-ħtieġa għall-kejl u l-kontroll espliċiti tagħha. Dan jinkiseb bl-użu tal-proċess mhux lineari stabbli tal-fażi tal-pakkett tal-ġarr inerenti tad-DFG biex tinħoloq replika tal-ferrovija tal-polz tal-lejżer oriġinali, li tirriżulta f'medja fceovalur ta' żero (<fceo>= 0). F'tali OFCs ibbażati fuq DFG-, żewġ komponenti spettrali distinti li joriġinaw mill-istess oxxillatur tal-lejżer (tipikament wara twessigħ spettrali f'fibri mhux lineari) huma mħallta fi kristall mhux lineari. F'każ ideali ż-żewġ komponenti se jġorru l-istessfceo, għalhekk it-tnaqqis tal-frekwenzi tagħhom jikkanċella l-offset biex jipproduċi "offset-OFC ħieles." Mil-lat purament tekniku, offset-OFCs ħielsa joffru sempliċità billi jeħtieġu linja ta' kontroll waħda biss: L-unika varjabbli ta' kontroll tagħhom hija r-rata ta' ripetizzjonifrep. Iżda dan jiġi ma 'kompromess: Valur ta' aspettattiva<fceo>= 0 ma jimplikax in-nuqqas ġenerali ta'fceostorbju tal-fażi. Fi kliem ieħor, filwaqt li l-proċess DFG ineħħi l-offset medju ma jrażżnx l-istorbju inkoerenti assoċjat ma’fceo (ara Fig. 2). Minflok, l-OFCs ibbażati fuq DFG-intwerew li juru skala kwadratika tal-ħoss tal-fażi bi frekwenza, deskritta minn mudell ta '"tejp elastiku" b'punt ta' fissazzjoni fi frekwenza żero.2
Retrospettivament, ta' min jinnota li t-teknika tal-ġenerazzjoni ta' pettnijiet tal-frekwenza offset-ħieles permezz ta' DFG kienet oriġinarjament privattiva mis-Soċjetà Max Planck,3u matul il-jiem bikrija tal-kummerċjalizzazzjoni tal-OFC kien liċenzjat esklussivament lil Menlo Systems. Il-metodu għadu vantaġġuż ħafna għall-ġenerazzjoni ta' radjazzjoni tal-frekwenzi-moxt f'wavelengths inkella diffiċli- biex-aċċess, u huwa għalhekk li nkomplu nużaw DFG biex testendi l-kopertura spettrali fin-nofs-infra-aħmar u lil hinn.
Pettnijiet ta' frekwenza-referenzjati waħedhom
Wara l-iżvilupp ta' l-ewwel sistemi ta' moxt prattiċi, l-avvanzi fil-fibri ottiċi mhux lineari ppermettew skoperta ta' offset ta' l-envelope ta' carrier-affidabbli. Dawn l-iżviluppi ppermettew il-ġenerazzjoni relattivament sempliċi u effiċjenti ta' pettnijiet ta' ottava-; jiġifieri, pettnijiet tal-frekwenza li jkopru firxa ta' frekwenza ta' aktar mid-doppju tal-inqas frekwenza tagħhom. Bi spettri tal-moxt li jkopru l-ottava-disponibbli, il-frekwenza tal-offset tal-envelope carrier-tista 'tiġi kkaratterizzata bl-użu ta' metodu sempliċi ta' self-referenza. Dan il-metodu jiddependi fuq interferometru li eterodina żewġ porzjonijiet distinti tal-ispettru tal-moxt: Mod tal-moxt b'indiċinfit-tarf aħmar tal-ispettru
vn = nfrep + fceo
jintbagħat permezz ta 'kristall mhux lineari biex jiġġenera t-tieni armoniku tiegħu
2vn = 2(nfrep + fceo),
li huwa mċaqlaq bid-doppju tal-frekwenza offset. Dan is-sinjal tal-frekwenza-irduppjat imbagħad jiġi megħlub kontra mod moxt b'indiċi 2n
v2n = 2nfrep + fceo.
In-nota tat-taħbit bejn dawn iż-żewġ frekwenzi tiżvela direttament il-frekwenza tal-offset tal-envelope carrier-:
2vn − v2n = fceo.
Dan il-metodu "f–2f" huwa xejn inqas minn kisba importanti fit-teknoloġija OFC għaliex jippermetti kejl dirett tal-frekwenza tal-offset tal-envelope carrier-. B'mod partikolari, tappoġġja l-implimentazzjoni ta 'attwaturi dedikati għall-kontroll tad-dispersjoni attiva ġewwa l-kavità tal-lejżer għall-istabbilizzazzjoni tal-ħoss ultralow u l-kontroll tal-fceo(ara Fig. 3).
Trasferiment ta 'purità spettrali
Kontroll effettiv u stabbilizzazzjoni tal-gradi ta' libertà ta' moxt tal-frekwenza ottika-ir-rata ta' ripetizzjoni tiegħu kif ukoll il-frekwenza tal-offset tal-envelope tal-ġarr-tagħha- huma kruċjali għal applikazzjonijiet ta' preċiżjoni, li jeħtieġu wisa' ta' linji u stabbiltajiet ferm lil hinn minn dawk li jistgħu jinkisbu bi kwalunkwe-moxt li jaħdem ħieles (ara Fig. 4a). L-approċċ kullimkien huwa li jiġi stabbilit lock ottiku; jiġifieri, biex tittrasferixxi l-purità spettrali mogħtija minn referenza ottika esterna għal waħda mil-linji tal-moxt tal-frekwenza. Is-sistemi ta' referenza ottika ta' Menlo Systems b'rutina jiksbu linewidths sub-hertz flimkien ma' stabbiltà ta' frekwenza eċċellenti. Huma jgħaqqdu lejżer ta'-modalità kontinwa-mewġa waħda (CW), kavità ta' referenza ottika ta'-finezza għolja, u l-komponenti ottiċi u elettroniċi ta' qfil assoċjati-kollha maħduma biex jipprovdu sensittività għolja u bandwidth ta' qfil wiesa'.4Is-setup konvenzjonali għall-illokkjar ta' OFC għal referenza ottika esterna hija illustrata fil-Figura 4b. Tali linja ta 'kontroll tar-rata ta' ripetizzjoni tiddependi fuq l-iskoperta ta 'nota ta' taħbit bejn il-lejżer ta 'referenza CW u wieħed mis-snien tal-moxt, li tkejjel kwalunkwe drift tal-frekwenza, u li tapplika feedback għall-attwatur tar-rata ta' ripetizzjoni tal-moxt kif xieraq.
B'mod kruċjali, għalkemm l-iskema tistabbilizza s-snien tal-moxt magħżul, l-ispazjar biss bejn il-lejżer ta 'referenza u dik il-linja waħda tal-moxt huwa tassew iffissat: Minħabba li l-attwatur tar-rata ta' ripetizzjoni jipprovdi kontroll fuq grad wieħed biss ta 'libertà, primarjament jinfluwenza l-linji tal-moxt qrib il-punt tal-qfil. Konsegwentement, il-wisa 'tal-linja u l-ħoss tal-fażi jiżdiedu bid-distanza spettrali mir-referenza ottika. Din il-limitazzjoni hija inerenti għall-iskema ta 'qfil u indipendenti mill-arkitettura tal-moxt: Kemm jekk moxt offset-ħieles jew awto-referenzjat, meta msakkar permezz tar-rata ta' ripetizzjoni biss, il-purità spettrali inevitabbilment se tiddegrada l-aktar 'il bogħod linja tal-moxt tkun mir-referenza ottika esterna, u tħalli d-dominju virtwali RF {{4}essenzjali linji kommessi. Pjuttost, kif muri fil-Figura 4c, it-trasferiment tal-purità spettrali tul l-ispettru kollu tal-moxt tal-frekwenza jeħtieġ li l-attwatur tar-rata ta’ ripetizzjoni jiġi kkumplimentat bit-tieni loop ta’ kontroll għall-frekwenza tal-offset tal-envelope carrier-(fceo). L-ingaġġ bħal afceofeedback loop twettaq tliet kompiti essenzjali: Qfilfceof'valur magħżul, li jrażżan l-istorbju koerenti u inkoerenti tiegħu, u jnaqqas il-ħoss tal-fażi fuq is-snien kollha tal-moxt li huma remoti għar-referenza ottika esterna. Il-fceol-attwazzjoni taġixxi b'mod simetriku fuq l-ispettru fis-sens li għandha influwenza minima fuq il-linji tal-moxt qrib ir-referenza ottika, iżda taffettwa bil-qawwa l-linji tal-moxt kollha 'l bogħod minnu, inklużi kemm dawk ottiċi kif ukoll dawk virtwali fid-dominju RF-. B'mod ġenerali, il-linja veloċi għall-kontroll tal-frekwenza tal-offset tal-carrier-envelope jista' jiġi pperċepit bħala attwatur li jikkumplimenta l-attwatur tar-rata ta' ripetizzjoni-għall-illokkjar tat-tieni grad ta' libertà ta' OFC.
Id-disinn ta' attwazzjoni doppja ta' Menlo Systems jippermetti trasferiment ta' purità spettrali vera-jirreplika b'mod preċiż il-purità spettrali ta' referenza ottika fuq kull linja waħda ta' moxt. Kif muri fil-Figura 5, il-purità spettrali tinżamm ukoll matul l-istadji tal-konverżjoni tal-frekwenza, inkluż it-tibdil tal-frekwenza, it-tieni -ġenerazzjoni armonika, jew il-ġenerazzjoni supercontinuum.
Applikazzjoni spotlight: Arloġġi atomiċi ottiċi
It-teknoloġija ta'-storbju ultralow ta' Menlo Systems tagħti preċiżjoni fl-ispettru kollu, u tavvanza applikazzjonijiet li jeħtieġu l-aktar prestazzjoni preċiża, bħal arloġġi atomiċi ottiċi. F'dan il-qasam, l-OFCs tagħna ppermettew it-trasferiment tar-referenzi ottiċi l-aktar preċiżi fid-dinja għall-arloġġi ottiċi l-aktar preċiżi tad-dinja, paraguni ta' arloġġi ta'-preċiżjoni trans-speċijiet għolja, kif ukoll tixrid ta'-distanza twila ta' sinjali ta' arloġġi ottiċi permezz ta' netwerks tal-fibra.
It-trasferiment tal-preċiżjoni aħħarija
Kif muri fil-Figura 6, kavitajiet ta 'referenza ottika huma l-aktar komunement disponibbli fir-reġjun tal-wavelength qrib-IR (tipikament madwar 1550 nm), fejn joffru prestazzjoni eċċellenti u affidabilità għolja bi prezz komparattivament baxx. Mhux ta' sorpriża, din il-medda ta' wavelength tospita wkoll il-kavitajiet ta' referenza bl-ogħla-prestazzjoni disponibbli bħalissa. F'xogħol innovattiv minn kollaborazzjoni ta' JILA (US) u Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; l-Istitut Nazzjonali tal-Metroloġija tal-Ġermanja), kavità tas-silikon monokristallin krijoġeniku b'mirja tas-silikon wriet instabbiltà ta' frekwenza frazzjonali baxxa daqs 4 × 10.-17f'sekonda waħda, u wisa 'tal-linja ta' 5 mHz.5
Dan l-iżvilupp huwa titjib ta' għaxar darbiet fuq il-kavitajiet tal-ħġieġ ta' espansjoni ultrabaxx (ULE) tal-aħħar--l-aħħar-f'temperatura tal-kamra. Biex tittrasferixxi din l-istabbiltà u l-wisa 'tal-linja mhux imqabbla mill-wavelength operazzjonali tal-kavità f'1542 nm fil-medda spettrali viżibbli għal arloġġ tal-kannizzata ottika tal-istronzju rekord-kisser imħaddem f'698 nm,6ir-riċerkaturi jiddependu fuq it-teknoloġija tal-moxt tal-frekwenza tal-ħsejjes ultralow-Menlo Systems (b'mod parallel, inġinejna l-kavità krijoġenika fil-mudell tagħna ORS-ULN).
Arloġġ-ma'-paragun
Għalkemm id-definizzjoni attwali tat-tieni li tiddependi fuq it-tranżizzjoni iperfina ta '9.2-GHz fi ħdan iċ-ċesju ilha għal aktar minn nofs seklu, għaddej sforz kollaborattiv globali biex jiġi definit mill-ġdid l-istandard SI bl-użu ta' transizzjonijiet ottiċi ultra dojoq ġewwa atomi kesħin u joni maqbuda. Għaldaqstant, arloġġi ottiċi bbażati fuq firxa wiesgħa ta 'speċi atomiċi qed jiġu esplorati bħala kandidati. Biex jiġu evalwati dawn l-istandards il-ġodda, diversi arloġġi ottiċi għandhom jitqabblu ma' xulxin fl-ogħla livell ta' preċiżjoni (ara Fig. 6), iżda l-frekwenzi ta' transizzjoni tagħhom jistgħu jvarjaw b'mijiet ta' terahertz u jagħmlu kwalunkwe kejl elettroniku dirett impossibbli.
Kif juri xogħol reċenti, dawn il-lakuni fil-frekwenza jistgħu jiġu mgħaqqda bl-ogħla preċiżjoni permezz tat-trasferiment tal-purità spettrali: l-OFCs tal--storbju ultrabaxx ta' Menlo Systems jippermettu paragun tal-arloġġi ta' bejn-speċijiet fl-10.-18livell u lil hinn.7F'dan il-kuntest, it-trasferiment ta'-purità spettrali huwa karatteristika ta' prova ta'-futur meħtieġa għal kwalunkwe laboratorju tal-arloġġ ottiku, għaliex jipprovdi l-għażla li jiġu investigati speċijiet atomiċi varji filwaqt li tiddependi b'mod kunfidenti fuq sors wieħed għar-referenza tal-moxt tal-frekwenza.
Tixrid permezz ta' netwerks tal-fibra
Filwaqt li esperimenti pijunieri qed iwittu t-triq għal arloġġi ottiċi trasportabbli, l-aktar arloġġi preċiżi tal-lum jibqgħu stallazzjonijiet stazzjonarji mħaddma minn timijiet ta 'esperti f'istituti nazzjonali tal-metroloġija, faċilitajiet ta' riċerka, u universitajiet. Min-naħa l-oħra, it-tqabbil ta'-distanza twila u t-tixrid ta' sinjali tal-arloġġ ultrastabbli huma fattibbli biss permezz tal-medda tat-telekomunikazzjoni. Dan jimponi sfida għall-applikazzjonijiet tan-netwerk, minħabba li l-OFCs imsakkra għal transizzjoni ta 'arloġġ ottiku tipikament ma jistgħux faċilment interface man-netwerks tal-fibra jew jippermettu d-distribuzzjoni ta' sinjali ta 'referenza għal siti oħra.
L-isfida ġejja mill-effett kombinat tal-iskala tal-ħsejjes tal-fażi fil-pettijiet tal-frekwenza konvenzjonali u d-distakk spettrali bejn it-tranżizzjonijiet tal-arloġġ ottiku u l-medda tat-telekomunikazzjoni. Kif muri fil-Figura 6, it-trasferiment tal-purità spettrali jegħleb dan l-ostaklu biex jippermetti kemm il-paraguni tal-arloġġi ta' -distanza twila kif ukoll it-tixrid ta' referenzi ultrastabbli għal-laboratorji li ma joperawx l-arloġġi ottiċi tagħhom stess. Din il-kapaċità tiftaħ firxa wiesgħa ta' opportunitajiet xjentifiċi eċċitanti-inklużi avvanzi fit-teknoloġiji kwantitiċi, -ġeodesija ta' preċiżjoni għolja, astronomija, navigazzjoni, u testijiet tal-fiżika fundamentali.8,9
