[論文レビュー] Fully-correlated pumping for dual-frequency VECSELs dedicated to cesium CPT clocks

Grégory Gredat, Debanuj Chatterjee+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2018

Semiconductor Lasers and Optical Devices参考文献 9被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、852 nmで動作する二周波数VECSELの完全相関マルチモードポンプ方式を提示する。単一のマルチモードレーザーディオードの振幅分割により、空間的に分離された、同位相で相関のある二つのポンプビームを生成する。この手法により、10 kHz〜20 MHzの周波数範囲でビートノイズ位相ノイズが10–20 dB低減され、セシウムCPT原子時計に不可欠な低ノイズ動作を実現する。

ABSTRACT

We report a fully-correlated multi-mode pumping architecture optimized for dramatic noise reduction of a class-A dual-frequency Vertical External Cavity Surface Emitting Laser (VECSEL). Thanks to amplitude division of a laser diode, the two orthogonally polarized modes emitted by the VECSEL oscillating at 852 nm are separately pumped by two beams exhibiting fully in--phase correlated intensity noises. This is shown to lead to very strong and in-phase correlations between the two lasing modes intensities. As a result, the phase noise power spectral density of the RF beat note generated by the two modes undergoes a drastic reduction of about 10 to 20 dB throughout the whole frequency range from 10 kHz to 20 MHz and falls below the detection floor above a few MHz. A good agreement is found with a model which uses the framework of rate equations coupled by cross--saturation. The remaining phase noise is attributed to thermal effects and additional technical noises and lies mainly within the bandwidth of a phase-locked-loop.

研究の動機と目的

• 852 nmで動作する二周波数VECSELの低位相ノイズ化を達成する挑戦に取り組む。
• 852 nmで高出力のシングルモードファイバーポンプレーザーが入手できないという制限を克服する。
• 直交偏光状態の二つのレーザーモード間で、同時にクロス飽和を最小限に抑え、同位相の強度ノイズ相関を最大化する。
• シングルモードポンプ源を必要としない実用的なマルチモードポンピング構造を構築し、低ノイズ動作を実現する。
• 二周波数VECSELを高精度マイクロ波フォトニクスおよび原子周波数基準に応用可能にする。

提案手法

• マルチモードレーザーディオードビームの振幅分割を用いて、同一で空間的に分離された二つのポンプビームを生成する。
• 各ポンプビームをVECSEL内の別個のレーザーモード（直交偏光）に直接結合し、同一の時間的強度ノイズ特性を確保する。
• 二つのポンプ領域間で98%の同位相強度ノイズ相関（η = 0.98、Ψ = 0°）を達成する。
• ポンプスポットの空間的分離により増幅競合を最小限に抑え、クロス飽和（C = 0.05）を低減する。
• 100 µmの厚さのYAGエタロンを用いて自由スペクトル範囲を制御し、数百MHz範囲のビートノイズを生成する。
• 熱雑音を2次ローパassフィルタ近似を用いて組み込んだ、クロス飽和項を含むレート方程式を用いてシステムをモデル化する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 単一モードポンプレーザーが存在しない状況下でも、完全に同位相相関のあるマルチモードポンピングが852 nmの二周波数VECSELの位相ノイズ低減に有効であるか。
• RQ2 ポンプ領域間の強度ノイズ相関が、RFビートノイズの位相ノイズにどの程度低減効果をもたらすか。
• RQ3 二つのレーザーモード間のクロス飽和が位相ノイズに与える影響は何か。空間的分離ポンピングによりこれを最小限に抑えることができるか。
• RQ4 熱的効果および技術的雑音が、残存位相ノイズの床を制限する役割を果たすか。
• RQ5 このポンピング構造は、単一モードポンプレーザーが入手困難または出力が不足する他の波長に対しても一般化可能か。

主な発見

• 完全相関ポンピング方式により、10 kHz〜20 MHzの周波数範囲でRFビートノイズの位相ノイズパワー スペクトル密度が10–20 dB低減された。
• 測定された位相ノイズは数MHzを超える周波数で検出限界以下に低下しており、高周波数域でほぼ量子制限性能に近い動作を示している。
• 二つのポンプビーム間の強度ノイズ相関はη = 0.98、ゼロの相対位相（Ψ = 0°）に達し、強い同位相相関が確認された。
• クロス飽和はC = 0.05まで低減され、二つのレーザーモード間の増幅競合が弱いことが示された。
• 実験的位相ノイズスペクトルは300 kHz未満でf⁻³の周波数依存性を示したが、理論モデルではf⁻⁴の予測であったため、熱雑音モデルの精緻化が求められる。
• 残存位相ノイズの主な要因は熱的効果および技術的雑音であり、その大部分は位相ロックループ（PLL）の帯域幅内に存在する。