Lược tần số quang học (OFC) là nguồn ánh sáng laser chính xác có quang phổ bao gồm một loạt các vạch tần số cách đều-giống như răng của lược. Là thước đo có độ chính xác cao để đo tần số quang, OFC đã cách mạng hóa phép đo và đo lường chính xác kể từ khi chúng được phát triển vào cuối những năm 1990. Một trong những khả năng quan trọng nhất được OFC kích hoạt là truyền độ tinh khiết quang phổ. Nó đề cập đến khả năng OFC truyền độ tinh khiết quang phổ-độ ổn định tần số và độ rộng đường truyền hẹp-của một nguồn sáng này sang nguồn sáng khác hoạt động ở bước sóng khác.
Trong quá trình triển khai tiếng ồn-cực thấp (được cấp bằng sáng chế bởi Menlo Systems1), việc truyền độ tinh khiết quang phổ duy trì các đặc điểm của hệ thống tham chiếu quang siêu ổn định trên toàn bộ phổ lược, bao gồm cả các đầu ra được chuyển đổi tần số- trải rộng từ vùng quang phổ nhìn thấy đến vùng phổ hồng ngoại giữa-.
Giới thiệu về lược tần số quang
OFC là nguồn laser có quang phổ bao gồm một chuỗi các đường tần số rời rạc,{0}}cách đều nhau. Trong miền tần số, cấu trúc đều đặn này giống như răng của một chiếc lược. OFC thường được tạo ra bằng cách sử dụng tia laser siêu ngắn, mô hình hóa (xem Hình . 1, trên cùng). Khóa mô hình là một kỹ thuật trong đó các chế độ dọc của khoang laser buộc phải dao động với mối quan hệ pha cố định. Do đó, tia laser phát ra một loạt xung quang học cực ngắn. Xung tuần hoàn truyền qua lại bên trong bộ cộng hưởng laser với tốc độ lặp lạiftrả lời, được xác định bởi thời gian-chuyến đi khứ hồi. Trong mỗi chuyến đi khứ hồi, một lượng nhỏ năng lượng xung được trích xuất qua gương truyền một phần để tạo thành đầu ra tia laser. Trong miền thời gian, đầu ra này xuất hiện dưới dạng một chuỗi xung thông thường và trong miền tần số, nó tương ứng với một tập hợp các vạch quang phổ cách đều nhau (xem Hình . 1, phía dưới).
Do sự phân tán trong khoang laser, vận tốc nhóm của đường bao xung thường khác với vận tốc pha của sóng mang quang. Sự không phù hợp này dẫn đến sự dịch pha dần dầnΔφcủa sóng mang đối với đường bao xung từ vòng này sang vòng khác. Hiện tượng này được gọi là độ lệch pha đường bao sóng mang- (xem Hình. 1, phía dưới bên trái).
Lý tưởng nhất là trong trường hợp không có nhiễu và nhiễu loạn bên ngoài, mối quan hệ Fourier giữa miền thời gian và tần số ngụ ý rằng chuỗi xung tuần hoàn nghiêm ngặt tương ứng với một tập hợp rời rạc các chế độ tần số cách đều nhau (xem Hình . 1, phía dưới bên phải).
Trong miền tần số, các đường lược riêng lẻνn được cho bởi:
vn = nftrả lời + fCEO,
Ở đâunlà một chỉ số chế độ số nguyên,ftrả lờilà tốc độ lặp lại xung, vàfCEObiểu thị tần số dịch chuyển đường bao-của sóng mang. Toàn bộ phổ lược được dịch chuyển bởifCEOdo sự trượt pha của sóng mang xung-đến{1}}đường bao xung{2}}, trong khi khoảng cách giữa các đường liền kề chỉ được xác định bởiftrả lời. Trong thực tế, cả tỷ lệ lặp lạiftrả lờivà tần số bù đường bao của sóng mang-fCEO cả hai đều phải được đo và ổn định tích cực để laser xung cực nhanh hoạt động như một OFC. Việc đo lườngftrả lờitương đối đơn giản vì nó thường nằm trong phạm vi từ hàng chục megahertz đến vài gigahertz và có thể được phát hiện bằng cách sử dụng điốt quang nhanh. Ổn định tốc độ lặp lại đạt được bằng cách đóng vòng phản hồi trên bộ truyền động cho phép điều chỉnh độ dài khoang hiệu quả. Ngược lại, đo lường và kiểm soátfCEOphức tạp hơn đáng kể và là thách thức lớn trong quá trình phát triển ban đầu của công nghệ OFC.
Sự khác biệt-tần số tạo tần số (DFG)
Trong lịch sử, một trong những chiến lược ban đầu để xử lý tần số bù đường bao-sóng mang là sơ đồ quang học giúp tránh hoàn toàn nhu cầu đo lường và kiểm soát rõ ràng. Điều này đạt được bằng cách sử dụng quy trình phi tuyến ổn định pha sóng mang vốn có của DFG để tạo ra một bản sao của chuỗi xung laser ban đầu, mang lại kết quả trung bình fCEOgiá trị bằng 0 (<fCEO>= 0). Trong các OFC dựa trên DFG-như vậy, hai thành phần quang phổ riêng biệt có nguồn gốc từ cùng một bộ dao động laser (thường là sau khi mở rộng quang phổ trong các sợi phi tuyến) được trộn lẫn trong một tinh thể phi tuyến. Trong trường hợp lý tưởng cả hai thành phần sẽ mang cùng mộtfCEO, do đó, việc trừ tần số của chúng sẽ loại bỏ phần bù để tạo ra OFC "không có phần bù". Từ quan điểm kỹ thuật thuần túy, OFC-không có offset mang đến sự đơn giản bằng cách chỉ yêu cầu một vòng điều khiển: Biến điều khiển duy nhất của chúng là tốc độ lặp lạiftrả lời. Nhưng điều này đi kèm với sự đánh đổi: Giá trị kỳ vọng<fCEO>= 0 không ngụ ý sự vắng mặt tổng thể củafCEOtiếng ồn pha. Nói cách khác, trong khi quy trình DFG loại bỏ độ lệch trung bình, nó không loại bỏ nhiễu không mạch lạc liên quan đếnfCEO (xem Hình. 2). Thay vào đó, OFC-dựa trên DFG đã được chứng minh là có tỷ lệ bậc hai của nhiễu pha theo tần số, được mô tả bằng mô hình "băng đàn hồi" có điểm cố định ở tần số bằng 0.2
Nhìn lại, cần lưu ý rằng kỹ thuật tạo lược-tần số tự do bù thông qua DFG ban đầu được cấp bằng sáng chế bởi Hiệp hội Max Planck,3và trong những ngày đầu thương mại hóa OFC, nó đã được cấp phép độc quyền cho Menlo Systems. Phương pháp này vẫn rất có lợi cho việc tạo ra bức xạ lược tần số ở các bước sóng khó tiếp cận, đó là lý do tại sao chúng tôi tiếp tục sử dụng DFG để mở rộng phạm vi phủ sóng quang phổ đến vùng hồng ngoại giữa và xa hơn nữa.
Lược tần số tự tham chiếu
Sau sự phát triển của hệ thống lược thực tế đầu tiên, những tiến bộ trong sợi quang phi tuyến đã cho phép phát hiện độ lệch đường bao- sóng mang đáng tin cậy. Những phát triển này cho phép tạo ra các lược kéo dài quãng tám tương đối đơn giản và hiệu quả; tức là, các lược tần số bao phủ dải tần lớn hơn hai lần tần số thấp nhất của chúng. Với phổ lược kéo dài quãng tám-có sẵn, tần số bù đường bao-của sóng mang có thể được mô tả bằng phương pháp tự tham chiếu-đơn giản. Phương pháp này dựa vào một giao thoa kế để tạo ra hai phần riêng biệt của quang phổ lược: Chế độ lược có chỉ sốnở đầu đỏ của quang phổ
vn = nftrả lời + fCEO
được gửi qua một tinh thể phi tuyến để tạo ra sóng hài thứ hai của nó
2vn = 2(nftrả lời + fCEO),
được dịch chuyển gấp đôi tần số bù. Sau đó, tín hiệu được nhân đôi-tần số này sẽ được đánh vào chế độ lược có chỉ số 2n
v2n = 2nftrả lời + fCEO.
Nốt nhịp giữa hai tần số này trực tiếp hiển thị tần số bù của đường bao- sóng mang:
2vn − v2n = fCEO.
Phương pháp "f–2f" này không thua gì một thành tựu mang tính bước ngoặt trong công nghệ OFC vì nó cho phép đo trực tiếp tần số bù đắp đường bao-sóng mang. Đặc biệt, nó hỗ trợ triển khai các bộ truyền động điều khiển phân tán chủ động chuyên dụng bên trong khoang laser để ổn định tiếng ồn cực thấp và kiểm soátfCEO(xem Hình. 3).
Chuyển giao độ tinh khiết quang phổ
Việc kiểm soát và ổn định hiệu quả mức độ tự do của lược tần số quang học-tốc độ lặp lại cũng như tần số sóng mang-tần số bù đường bao-là rất quan trọng đối với các ứng dụng chính xác, đòi hỏi độ rộng đường truyền và độ ổn định vượt xa những gì có thể đạt được với bất kỳ lược chạy-tự do nào (xem Hình. 4a). Cách tiếp cận phổ biến là thiết lập khóa quang; tức là để chuyển độ tinh khiết quang phổ được cung cấp bởi tham chiếu quang bên ngoài sang một trong các đường lược tần số. Hệ thống tham chiếu quang học của Menlo Systems thường xuyên đạt được băng thông đường truyền dưới{9}}hertz kết hợp với khả năng ổn định tần số tuyệt vời. Chúng kết hợp một tia laser-liên tục{12}}sóng (CW) một chế độ, một khoang tham chiếu quang học có độ tinh xảo cao và các thành phần khóa quang học và điện tử liên quan, tất cả đều được thiết kế để mang lại độ nhạy cao và băng thông khóa rộng.4Thiết lập thông thường để khóa OFC với tham chiếu quang bên ngoài được minh họa trong Hình 4b. Vòng điều khiển tốc độ lặp lại như vậy phụ thuộc vào việc phát hiện nốt nhịp giữa laser tham chiếu CW và một trong các răng lược, đo bất kỳ độ lệch tần số nào và áp dụng phản hồi cho bộ truyền động tốc độ lặp lại của lược tương ứng.
Điều quan trọng là, mặc dù sơ đồ ổn định răng lược đã chọn, nhưng chỉ có khoảng cách giữa tia laser tham chiếu và đường lược đơn đó là thực sự cố định: Bởi vì bộ truyền động tốc độ lặp lại chỉ cung cấp khả năng kiểm soát trên một bậc tự do nên nó chủ yếu ảnh hưởng đến các đường lược gần điểm khóa. Do đó, độ rộng đường truyền và nhiễu pha tăng theo khoảng cách phổ từ tham chiếu quang. Hạn chế này vốn có đối với sơ đồ khóa và không phụ thuộc vào kiến trúc lược: Dù là lược đồ-không bù trừ hay lược tham chiếu tự-, khi bị khóa chỉ thông qua tốc độ lặp lại, độ tinh khiết quang phổ chắc chắn sẽ làm suy giảm khi đường lược cách xa tham chiếu quang học bên ngoài và khiến các đường lược miền RF{4}} ảo về cơ bản không bị ảnh hưởng. Đúng hơn, như được minh họa trong Hình 4c, việc truyền độ tinh khiết quang phổ trên toàn bộ phổ lược tần số yêu cầu bổ sung cho bộ truyền động tốc độ lặp lại bằng một vòng điều khiển thứ hai cho tần số bù đường bao của sóng mang- (fCEO). Tham gia như vậyfCEOvòng phản hồi hoàn thành ba nhiệm vụ thiết yếu: KhóafCEOở một giá trị đã chọn, triệt tiêu nhiễu kết hợp và không kết hợp của nó, đồng thời giảm nhiễu pha trên tất cả các răng lược ở xa tham chiếu quang học bên ngoài. cácfCEOhoạt động tác động đối xứng trên quang phổ theo nghĩa là nó có ảnh hưởng tối thiểu đến các đường lược gần tham chiếu quang nhưng ảnh hưởng mạnh đến tất cả các đường lược ở xa nó, bao gồm cả các đường lược cũng như các đường lược trong miền RF{0}}. Nhìn chung, vòng lặp nhanh để điều khiển tần số bù đường bao-sóng mang có thể được coi là một bộ truyền động bổ sung cho bộ truyền động tốc độ lặp lại-để khóa bậc tự do thứ hai của OFC.
Thiết kế truyền động kép của Menlo Systems cho phép truyền độ tinh khiết quang phổ thực sự-sao chép chính xác độ tinh khiết quang phổ của tham chiếu quang học trên mỗi đường lược đơn lẻ. Như được minh họa trong Hình 5, độ tinh khiết của phổ cũng được duy trì trong suốt các giai đoạn chuyển đổi tần số, bao gồm dịch chuyển tần số, tạo sóng hài thứ hai hoặc tạo siêu liên tục.
Tiêu điểm ứng dụng: Đồng hồ nguyên tử quang học
Công nghệ tiếng ồn cực thấp{0}}của Menlo Systems mang lại độ chính xác trên toàn phổ, nâng cao các ứng dụng yêu cầu hiệu suất chính xác nhất, chẳng hạn như đồng hồ nguyên tử quang học. Trong lĩnh vực này, OFC của chúng tôi đã cho phép chuyển các tham chiếu quang học chính xác nhất trên thế giới sang các đồng hồ quang học chính xác nhất thế giới, so sánh đồng hồ giữa các loài-có độ chính xác cao-cũng như truyền-khoảng cách xa của tín hiệu đồng hồ quang qua mạng cáp quang.
Chuyển giao độ chính xác cuối cùng
Như được minh họa trong Hình 6, các khoang tham chiếu quang học phổ biến nhất ở vùng bước sóng hồng ngoại gần{1}} (thường là khoảng 1550 nm), tại đó chúng mang lại hiệu suất vượt trội và độ tin cậy cao với chi phí tương đối thấp. Không có gì đáng ngạc nhiên khi phạm vi bước sóng này cũng chứa các khoang tham chiếu có hiệu suất-cao nhất hiện có. Trong công trình mang tính đột phá do sự cộng tác của JILA (Hoa Kỳ) và Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; Viện Đo lường Quốc gia Đức) thực hiện), một khoang silicon đơn tinh thể đông lạnh có gương silicon đã chứng minh độ không ổn định tần số phân đoạn thấp tới 4 × 10-17trong một giây và độ rộng đường truyền là 5 mHz.5
Sự phát triển này là một cải tiến gấp 10 lần so với các khoang kính giãn nở cực thấp (ULE) hiện đại ở nhiệt độ phòng. Để chuyển độ ổn định và độ rộng đường truyền chưa từng có này từ bước sóng hoạt động của hộp cộng hưởng ở 1542 nm sang dải phổ khả kiến cho một chiếc đồng hồ mạng quang học strontium phá kỷ lục-hoạt động ở 698 nm,6các nhà nghiên cứu dựa vào công nghệ lược tần số nhiễu cực thấp của Menlo Systems (song song đó, chúng tôi đã thiết kế khoang đông lạnh thành mô hình ORS{1}}ULN của mình).
So sánh đồng hồ-với-đồng hồ
Mặc dù định nghĩa hiện tại về giây dựa trên sự chuyển tiếp siêu tinh tế 9,2 GHz trong xêsi đã tồn tại hơn nửa thế kỷ, một nỗ lực hợp tác toàn cầu đang được tiến hành để xác định lại tiêu chuẩn SI sử dụng các chuyển tiếp quang học cực hẹp bên trong các nguyên tử lạnh và các ion bị bẫy. Theo đó, đồng hồ quang học dựa trên nhiều loại nguyên tử đang được khám phá như những ứng cử viên. Để đánh giá các tiêu chuẩn mới này, nhiều đồng hồ quang học khác nhau phải được so sánh với nhau ở mức độ chính xác cao nhất (xem Hình . 6), nhưng tần số chuyển tiếp của chúng có thể chênh lệch hàng trăm terahertz và điều đó khiến mọi phép đo điện tử trực tiếp đều không thể thực hiện được.
Như nghiên cứu gần đây đã chứng minh, những khoảng cách tần số này có thể được khắc phục với độ chính xác cao nhất thông qua việc truyền độ tinh khiết quang phổ: OFC nhiễu-siêu thấp của Menlo Systems cho phép so sánh đồng hồ giữa các loài-ở 10-18cấp độ và hơn thế nữa.7Trong bối cảnh này, việc truyền-độ tinh khiết quang phổ là một tính năng chứng minh-trong tương lai cần thiết cho bất kỳ phòng thí nghiệm đồng hồ quang học nào vì nó cung cấp tùy chọn nghiên cứu các loại nguyên tử khác nhau trong khi vẫn tự tin dựa vào một nguồn duy nhất để tham chiếu lược tần số.
Phổ biến qua mạng cáp quang
Trong khi các thí nghiệm tiên phong đang mở đường cho đồng hồ quang học có thể di chuyển, thì những chiếc đồng hồ chính xác nhất ngày nay vẫn được lắp đặt cố định bởi các nhóm chuyên gia tại các viện đo lường quốc gia, cơ sở nghiên cứu và trường đại học. Mặt khác, việc so sánh khoảng cách-đường dài và phổ biến tín hiệu đồng hồ siêu ổn định chỉ khả thi thông qua băng tần viễn thông. Điều này đặt ra một thách thức đối với các ứng dụng mạng, vì OFC bị khóa trong quá trình chuyển đổi đồng hồ quang thường không thể giao tiếp dễ dàng với mạng cáp quang hoặc cho phép phân phối tín hiệu tham chiếu đến các địa điểm khác.
Thách thức xuất phát từ hiệu ứng kết hợp của thang đo nhiễu pha trong các lược tần thông thường và khoảng cách quang phổ giữa các chuyển đổi đồng hồ quang và băng tần viễn thông. Như được minh họa trong Hình 6, việc truyền độ tinh khiết quang phổ vượt qua rào cản này để cho phép so sánh cả-đồng hồ ở khoảng cách xa cũng như phổ biến các tham chiếu siêu ổn định đến các phòng thí nghiệm không vận hành đồng hồ quang học của riêng họ. Khả năng này mở ra nhiều cơ hội khoa học thú vị-bao gồm những tiến bộ trong công nghệ lượng tử, trắc địa-có độ chính xác cao, thiên văn học, điều hướng và thử nghiệm vật lý cơ bản.8,9
