Optik frekans tarakları (OFC'ler), spektrumları bir tarağın dişlerine benzeyen bir dizi eşit-aralıklı frekans çizgisinden oluşan hassas lazer ışık kaynaklarıdır. Optik frekansları ölçmek için son derece hassas cetveller olan OFC'ler, 1990'ların sonlarında geliştirilmelerinden bu yana hassas ölçüm ve metrolojide devrim yarattı. OFC'lerin sağladığı en önemli yeteneklerden biri spektral saflık aktarımıdır. Bu, bir OFC'nin, bir ışık kaynağının spektral saflığını-frekans kararlılığını ve dar çizgi genişliğini- farklı bir dalga boyunda çalışan diğerine aktarma yeteneğini ifade eder.
Ultra düşük-gürültü uygulamasında (Menlo Systems tarafından patentlidir)1), spektral saflık aktarımı, görünürden orta-kızılötesi spektral bölgelere kadar uzanan frekans-dönüştürülmüş çıktılar da dahil olmak üzere tüm tarak spektrumu boyunca ultra kararlı optik referans sistemlerinin özelliklerini korur.
Optik frekans taraklarına giriş
OFC, optik spektrumu bir dizi ayrık, eşit{0}}aralıklı frekans çizgisinden oluşan bir lazer kaynağıdır. Frekans alanında bu düzenli yapı bir tarağın dişlerine benzer. OFC'ler en yaygın olarak ultra kısa, model kilitlemeli lazerler kullanılarak oluşturulur (bkz. Şekil. 1, üst). Model kilitleme, bir lazer boşluğunun uzunlamasına modlarının sabit bir faz ilişkisiyle salınmaya zorlandığı bir tekniktir. Sonuç olarak, lazer bir dizi ultra kısa optik darbe yayar. Dolaşan darbe, lazer rezonatörün içinde bir tekrarlama hızında ileri geri yayılır.ftemsilci, boşluğun gidiş-dönüş-zamanına göre belirlenir. Her gidiş-dönüş sırasında, lazer çıkışını oluşturmak için kısmen geçirgen bir ayna aracılığıyla az miktarda darbe enerjisi çıkarılır. Zaman alanında bu çıktı düzenli bir darbe katarı olarak görünür ve frekans alanında eşit mesafeli spektral çizgilerin bir kombinasyonuna karşılık gelir (bkz. Şekil. 1, alt).
Lazer boşluğundaki dağılım nedeniyle darbe zarfının grup hızı genellikle optik taşıyıcının faz hızından farklıdır. Bu uyumsuzluk kademeli bir faz kaymasına neden olurΔφTaşıyıcı dalganın darbe zarfına göre bir gidiş-dönüşten diğerine oranı. Bu olguya taşıyıcı-zarf faz kayması adı verilir (bkz. Şekil. 1, sol alt).
İdeal durumda, gürültü ve dış karışıklıkların yokluğunda, zaman ve frekans alanları arasındaki Fourier ilişkisi, kesin olarak periyodik bir darbe dizisinin, eşit aralıklı frekans modlarının ayrı bir kümesine karşılık geldiğini ima eder (bkz. Şekil. 1, sağ alt).
Frekans alanında bireysel tarak çizgileriνn tarafından verilmektedir:
vn = nftemsilci + fCEO,
Neresinbir tamsayı modu indeksidir,ftemsilcidarbe tekrarlama oranıdır vefCEOtaşıyıcının-zarf ofset frekansını belirtir. Tüm tarak spektrumu şu şekilde kaydırılır:fCEOdarbe--darbe taşıyıcısına-zarf faz kaymasının bir sonucu olarak, bitişik çizgiler arasındaki aralık yalnızca şu şekilde belirlenir:ftemsilci. Pratikte hem tekrar oranıftemsilcive taşıyıcı-zarf ofset frekansıfCEO Ultra hızlı darbeli bir lazerin OFC olarak işlev görmesi için hem ölçülmesi hem de aktif olarak stabilize edilmesi gerekir. Ölçümüftemsilcinispeten basittir, çünkü genellikle onlarca megahertz ila birkaç gigahertz aralığında yer alır ve hızlı bir fotodiyot kullanılarak tespit edilebilir. Tekrarlama hızı stabilizasyonu, etkili boşluk uzunluğu ayarlamalarına olanak tanıyan aktüatörler üzerindeki bir geri besleme döngüsünün kapatılmasıyla elde edilir. Buna karşılık ölçme ve kontrolfCEOönemli ölçüde daha karmaşıktır ve OFC teknolojisinin erken gelişiminde büyük bir zorluk teşkil etmektedir.
Fark-frekans oluşturma (DFG) frekans tarakları
Tarihsel olarak, taşıyıcı-zarf ofset frekansıyla ilgilenmeye yönelik ilk stratejilerden biri, açık ölçüm ve kontrol ihtiyacını tamamen ortadan kaldıran bir optik şemaydı. Bu, orijinal lazer darbe dizisinin bir kopyasını oluşturmak için DFG'nin doğası gereği taşıyıcı zarf faz kararlı doğrusal olmayan işlemi kullanılarak elde edilir; bu, ortalama bir lazer darbe dizisiyle sonuçlanır. fCEOsıfır değeri (<fCEO>= 0). Bu tür DFG-tabanlı OFC'lerde, aynı lazer osilatöründen (tipik olarak doğrusal olmayan fiberlerde spektral genişlemeden sonra) kaynaklanan iki farklı spektral bileşen, doğrusal olmayan bir kristalde karıştırılır. İdeal durumda her iki bileşen de aynı şeyi taşıyacaktır.fCEO, dolayısıyla bunların frekanslarını çıkarmak "ofset-serbest OFC" oluşturmak için ofseti iptal edecektir. Tamamen teknik açıdan bakıldığında, ofset-serbest OFC'ler yalnızca bir kontrol döngüsü gerektirerek basitlik sunar: Tek kontrol değişkenleri tekrarlama oranıdırftemsilci. Ancak bunun bir ödünleşimi var: Beklenti değeri<fCEO>= 0 genel olarak yokluğu anlamına gelmezfCEOfaz gürültüsü. Başka bir deyişle, DFG işlemi ortalama ofseti ortadan kaldırırken, bununla ilişkili tutarsız gürültüyü bastırmaz.fCEO (bkz. Şekil. 2). Bunun yerine, DFG-tabanlı OFC'lerin, sıfır frekansta bir sabit noktaya sahip bir "elastik bant" modeliyle tanımlanan, faz gürültüsünün frekansla ikinci dereceden ölçeklendirilmesini sergilediği gösterilmiştir.2
Geriye dönüp baktığımızda, DFG aracılığıyla ofset-serbest frekans tarakları üretme tekniğinin orijinal olarak Max Planck Topluluğu tarafından patentli olduğunu belirtmekte fayda var.3ve OFC'nin ticarileştirilmesinin ilk günlerinde yalnızca Menlo Systems'e lisans verildi. Bu yöntem, normalde erişilmesi zor olan dalga boylarında-taraklı frekans-tarak radyasyonu üretimi açısından hala son derece avantajlıdır; bu nedenle, spektral kapsama alanını orta-kızılötesi ve ötesine genişletmek için DFG'yi kullanmaya devam etmemizin nedeni budur.
Kendine-referanslı frekans tarakları
İlk pratik tarak sistemlerinin geliştirilmesinden sonra, doğrusal olmayan fiber optiklerdeki gelişmeler, güvenilir taşıyıcı-zarf ofseti algılamayı mümkün kıldı. Bu gelişmeler, oktav-aralama taraklarının nispeten basit ve etkili bir şekilde üretilmesine olanak sağladı; yani, en düşük frekanslarının iki katından daha fazla bir frekans aralığını kapsayan frekans tarakları. Oktav-yayılma tarağı spektrumları mevcut olduğundan, taşıyıcı-zarf ofset frekansı, basit bir kendi kendine-referanslama yöntemi kullanılarak karakterize edilebilir. Bu yöntem, tarak spektrumunun iki farklı bölümünü heterodinleyen bir interferometreye dayanır: İndeksli bir tarak modunspektrumun kırmızı ucunda
vn = nftemsilci + fCEO
ikinci harmoniğinin üretilmesi için doğrusal olmayan bir kristal aracılığıyla gönderilir.
2vn = 2(nftemsilci + fCEO),
ofset frekansının iki katı kadar kaydırılır. Bu frekans-ikiye katlanmış sinyal daha sonra dizin 2'ye sahip bir tarak moduna karşı yenilirn
v2n = 2nftemsilci + fCEO.
Bu iki frekans arasındaki vuruş notası doğrudan taşıyıcı-zarf ofset frekansını ortaya çıkarır:
2vn − v2n = fCEO.
Bu "f–2f" yöntemi, OFC teknolojisinde çığır açan bir başarıdan başka bir şey değildir çünkü taşıyıcı-zarf ofset frekansının doğrudan ölçülmesine olanak sağlar. Özellikle, ultra düşük gürültü stabilizasyonu ve kontrolü için lazer boşluğunun içindeki özel aktif dağılım kontrol aktüatörlerinin uygulanmasını destekler.fCEO(bkz. Şekil. 3).
Spektral saflık aktarımı
Bir optik frekans tarağının serbestlik derecesinin (tekrarlama hızının yanı sıra taşıyıcı-zarf ofset frekansının- etkili kontrolü ve stabilizasyonu, herhangi bir serbest çalışan tarakla elde edilebilecek olanın çok ötesinde hat genişlikleri ve stabiliteler gerektiren hassas uygulamalar için çok önemlidir (bkz. Şekil-a). Her yerde bulunan yaklaşım, optik bir kilit oluşturmaktır; yani harici bir optik referans tarafından iletilen spektral saflığın frekans tarak hatlarından birine aktarılması. Menlo Systems'in optik referans sistemleri rutin olarak mükemmel frekans stabiliteleriyle birlikte-hertz altı çizgi genişliklerine ulaşır. Tek-modlu sürekli-dalga (CW) lazeri, yüksek düzeyde{13}}hassas bir optik referans boşluğunu ve ilgili optik ve elektronik kilitleme bileşenlerini-birleştirirler; hepsi yüksek hassasiyet ve geniş bir kilitleme bant genişliği sağlayacak şekilde tasarlanmıştır.4Bir OFC'yi harici bir optik referansa kilitlemek için geleneksel kurulum, Şekil 4b'de gösterilmektedir. Böyle bir tekrarlama oranı kontrol döngüsü, CW referans lazeri ile tarak dişlerinden biri arasındaki bir vuruş notunun tespit edilmesine, herhangi bir frekans kaymasının ölçülmesine ve buna göre tarağın tekrarlama oranı aktüatörüne geri bildirim uygulanmasına dayanır.
En önemlisi, şema seçilen tarak dişini stabilize etse de, yalnızca referans lazer ile o tek tarak çizgisi arasındaki mesafe gerçekten sabittir: Tekrarlama oranı aktüatörü yalnızca bir serbestlik derecesi üzerinde kontrol sağladığından, öncelikli olarak kilitleme noktasına yakın tarak çizgilerini etkiler. Sonuç olarak, optik referanstan spektral mesafe arttıkça hat genişliği ve faz gürültüsü artar. Bu sınırlama, kilitleme şemasının doğasında vardır ve tarak mimarisinden bağımsızdır: İster ofset-serbest ister kendi kendine-referanslı bir tarak olsun, tek başına tekrarlama oranı aracılığıyla kilitlendiğinde, spektral saflık kaçınılmaz olarak bir tarak çizgisi harici optik referanstan uzaklaştıkça düşecek ve sanal RF-alanı tarak çizgilerini temelde etkilenmeden bırakacaktır. Bunun yerine, Şekil 4c'de gösterildiği gibi, tüm frekans tarağı spektrumu boyunca spektral saflık aktarımı, tekrarlama hızı aktüatörünün, taşıyıcı-zarf ofset frekansı (() için ikinci bir kontrol döngüsüyle tamamlanmasını gerektirir.fCEO). Böyle bir işe girişmekfCEOGeri bildirim döngüsü üç temel görevi yerine getirir: KilitlemefCEOseçilen bir değerde tutarlı ve tutarsız gürültüyü bastırır ve harici optik referanstan uzak tüm tarak dişlerindeki faz gürültüsünü azaltır.fCEOharekete geçirme, optik referans yakınındaki tarak çizgileri üzerinde minimum etkiye sahip olması anlamında spektrum üzerinde simetrik olarak hareket eder, ancak hem optik hem de RF- alanındaki sanal olanlar da dahil olmak üzere ondan uzaktaki tüm tarak çizgilerini güçlü bir şekilde etkiler. Genel olarak, taşıyıcı-zarf ofset frekans kontrolüne yönelik hızlı döngü, bir OFC'nin ikinci serbestlik derecesini kilitlemek için tekrarlama oranı çalıştırıcısını-tamamlayan bir çalıştırıcı olarak algılanabilir.
Menlo Systems'in ikili çalıştırma tasarımı, her bir tarak hattında bir optik referansın spektral saflığını tam olarak kopyalayarak gerçek spektral saflık aktarımına- olanak tanır. Şekil 5'te gösterildiği gibi, spektral saflık aynı zamanda frekans kaydırma, ikinci-harmonik nesil veya süper süreklilik üretimi de dahil olmak üzere frekans dönüştürme aşamaları boyunca da korunur.
Uygulama özeti: Optik atom saatleri
Menlo Systems'in ultra düşük{0}}gürültü teknolojisi, optik atom saatleri gibi en hassas performansı gerektiren uygulamaları geliştirerek spektrum genelinde hassasiyet sağlar. Bu alanda, OFC'lerimiz dünyanın en hassas optik referanslarının dünyanın en hassas optik saatlerine aktarılmasını, yüksek-türler arası-doğruluklu saat karşılaştırmalarının yanı sıra optik saat sinyallerinin fiber ağlar aracılığıyla uzun-mesafeli yayılmasını sağladı.
Nihai hassasiyetin aktarılması
Şekil 6'da gösterildiği gibi, optik referans boşlukları en yaygın olarak yakın-IR dalga boyu bölgesinde (tipik olarak 1550 nm civarında) bulunur ve burada nispeten düşük maliyetle mükemmel performans ve yüksek güvenilirlik sunarlar. Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, bu dalga boyu aralığı şu anda mevcut olan en yüksek-performansa sahip referans boşluklarını da barındırıyor. JILA (ABD) ve Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; Almanya Ulusal Metroloji Enstitüsü) işbirliğiyle gerçekleştirilen çığır açan çalışmada, silikon aynalara sahip kriyojenik monokristal silikon boşluk, 4 × 106 kadar düşük bir kesirli frekans kararsızlığı gösterdi-17bir saniyede ve 5 mHz hat genişliğinde.5
Bu gelişme, oda sıcaklığında-en ileri{-teknoloji ürünü ultra düşük genleşmeli cam (ULE) boşluklarına göre on kat daha fazla ilerlemedir. Bu eşsiz kararlılığı ve çizgi genişliğini, 1542 nm'deki boşluk operasyonel dalga boyundan, 698 nm'de çalıştırılan rekor-kıran bir stronsiyum optik kafes saati için görünür spektral aralığa aktarmak için,6araştırmacılar Menlo Systems'in ultra düşük-gürültü frekansı tarağı teknolojisine güveniyor (paralel olarak, kriyojenik boşluğu ORS-ULN modelimize göre tasarladık).
Saat-ile-saat karşılaştırması
Sezyum içindeki 9,2 GHz'lik aşırı ince geçişe dayanan saniyenin mevcut tanımı yarım yüzyıldan fazla bir süredir geçerli olmasına rağmen, soğuk atomlar ve sıkışmış iyonlar içindeki ultra dar optik geçişleri kullanarak SI standardını yeniden tanımlamak için küresel bir işbirliği çabası sürüyor. Buna göre, çok çeşitli atom türlerini temel alan optik saatler aday olarak araştırılmaktadır. Bu yeni standartları değerlendirmek için, çeşitli optik saatlerin en yüksek hassasiyet düzeyinde birbirleriyle karşılaştırılması gerekir (bkz. Şekil. 6), ancak geçiş frekansları yüzlerce terahertz kadar farklılık gösterebilir ve bu, herhangi bir doğrudan elektronik ölçümü imkansız hale getirir.
Son çalışmaların gösterdiği gibi, bu frekans boşlukları, spektral saflık aktarımı yoluyla en yüksek hassasiyetle kapatılabilir: Menlo Systems'in ultra düşük-gürültü OFC'leri, türler arası-saat karşılaştırmasını 10'da mümkün kılar-18seviye ve ötesinde.7Bu bağlamda, spektral-saflık aktarımı, herhangi bir optik saat laboratuvarı için gelecekte de geçerli olabilecek- bir özelliktir; çünkü frekans tarağını referans almak için tek bir kaynağa güvenle güvenirken çeşitli atom türlerini araştırma seçeneğini sunar.
Fiber ağlar üzerinden dağıtım
Öncü deneyler taşınabilir optik saatlerin yolunu açarken, günümüzün en hassas saatleri ulusal metroloji enstitüleri, araştırma tesisleri ve üniversitelerdeki uzman ekipler tarafından işletilen sabit kurulumlar olmaya devam ediyor. Öte yandan,-uzun mesafeli karşılaştırmalar ve ultra kararlı saat sinyallerinin yayılması yalnızca telekom bandı aracılığıyla mümkündür. Bu, ağ uygulamaları için bir zorluk teşkil etmektedir, çünkü bir optik saat geçişine kilitlenen OFC'ler genellikle fiber ağlarla kolayca arayüz oluşturamaz veya referans sinyallerinin diğer sitelere dağıtılmasını sağlayamaz.
Bu zorluk, geleneksel frekans taraklarındaki faz gürültüsü ölçeklendirmesinin ve optik saat geçişleri ile telekom bandı arasındaki spektral boşluğun birleşik etkisinden kaynaklanmaktadır. Şekil 6'da gösterildiği gibi, spektral saflık aktarımı bu engeli aşarak hem uzun-mesafeli saat karşılaştırmalarını hem de kendi optik saatlerini çalıştırmayan laboratuvarlara ultra kararlı referansların yayılmasını mümkün kılar. Bu yetenek, kuantum teknolojilerindeki gelişmeler, yüksek-hassasiyetli jeodezi, astronomi, navigasyon ve temel fizik testleri dahil olmak üzere çok çeşitli heyecan verici bilimsel fırsatların kapısını açar.8,9
