[論文レビュー] Optical Atomic Clock Interrogation Via an Integrated Spiral Cavity Laser

William Loh, David Reens+19 more|arXiv (Cornell University)|Mar 19, 2024

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、$7.5 \times 10^{-14}$ の分数周波数不安定度を達成するチップ統合スパイラルキャビティレーザー（ISCL）を提示し、光学原子時計のための高安定性な $^{88}$Sr$^+$ イオンの間隙測定を可能にした。ISCLにより、短時間不安定度が $3.9 \times 10^{-14}/\sqrt{\tau}$ に低下する完全に統合された、ポータブルな時計システムが実現され、統合フォトニクスを用いた現地設置可能で大量生産可能な光学時計への重要な一歩を示している。

ABSTRACT

Optical atomic clocks have demonstrated revolutionary advances in precision timekeeping, but their applicability to the real world is critically dependent on whether such clocks can operate outside a laboratory setting. The challenge to clock portability stems from the many obstacles not only in miniaturizing the underlying components of the clock $-$ namely the ultrastable laser, the frequency comb, and the atomic reference itself $-$ but also in making the clock resilient to environmental fluctuations. Photonic integration offers one compelling solution to simultaneously address the problems of miniaturization and ruggedization, but brings with it a new set of challenges in recreating the functionality of an optical clock using chip-scale building blocks. The clock laser used for atom interrogation is one particular point of uncertainty, as the performance of the meticulously-engineered bulk-cavity stabilized lasers would be exceptionally difficult to transfer to chip. Here we demonstrate that a chip-integrated ultrahigh quality factor (Q) spiral cavity, when interfaced with a 1348 nm seed laser, reaches a fractional frequency instability of $7.5 imes 10^{-14}$, meeting the stability requirements for interrogating the narrow-linewidth transition of $^{88}$Sr$^+$ upon frequency doubling to 674 nm. In addition to achieving the record for laser stability on chip, we use this laser to showcase the operation of a Sr-ion clock with short-term instability averaging down as $3.9 imes 10^{-14} / \sqrtτ$, where $τ$ is the averaging time. Our demonstration of an optical atomic clock interrogated by an integrated spiral cavity laser opens the door for future advanced clock systems to be entirely constructed using lightweight, portable, and mass-manufacturable integrated optics and electronics.

研究の動機と目的

• チップ上での光学原子時計の動作に適したコンactで安定したレーザー源の開発を目的とする。
• 現地設置可能な光学時計に向けた超安定レーザーの小型化の課題を克服することを目的とする。
• $^{88}$Sr$^+$ イオンの非常に細い線幅遷移を間隙測定するための厳しい要件を満たすチップ上でのレーザー安定性を達成することを目的とする。
• チップスケールの部品を用いた完全に統合された光学時計システムの実証を目的とする。これにより、ポータビリティと耐障害性が向上する。
• ISCLの性能を、短時間不安定度が低い実際の時計プロトコルにおいて検証することを目的とする。

提案手法

• 窒化ケイ素ウェーブガイドを用いて作製された高品質因子（Q）共振器を備えたチップ統合スパイラルキャビティレーザー（ISCL）を採用した。
• ISCLを1348 nmのシードレーザーに結合し、比例積分（PI）ロックを用いたフィードバック制御システムによりレーザー周波数を安定化させた。
• ゆっくりとしたレーザーのドリフトに強い耐性を付与するため、統合項を含む二重ループロック方式を実装した。
• トラップされた $^{88}$Sr$^+$ イオンを用いたラマーシー分光法およびラビ測定により、レーザー性能の妥当性を検証した。
• FPGAを用いたリアルタイム制御を導入し、起動遅延を最小限に抑え、原子共鳴に迅速にロックを確立した。
• ファイバー配信システムに対して振動およびノイズキャンセレーション技術を適用し、環境的要因による影響を低減した。

Figure 1: ISCL laser design. a , Illustration of an eventual fully integrated clock laser comprising an external cavity seed laser probing an ultrahigh quality factor spiral resonator, a phase modulator and photodetector to enable Pound-Drever-Hall (PDH) Drever et al. ( 1983 ) locking of the seed to

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チップ統合スパイラルキャビティレーザーは、$^{88}$Sr$^+$ 時計遷移の間隙測定に必要な周波数安定性を達成できるか？
• RQ2 短時間不安定度の観点から、ISCLの性能はボリュームレーザーシステムと比べてどうか？
• RQ3 ISCLは、リアルタイムフィードバックおよび原子状態検出を伴う完全な光学時計プロトコルに効果的に応用可能か？
• RQ4 ISCLにおけるノイズ低減と高い安定性の両立を考慮した最適なチップ上での光パワーは何か？
• RQ5 ISCLは、完全に統合され、ポータブルな光学時計システムをどれほど実現可能にするか？

主な発見

• ISCLは、$^{88}$Sr$^+$ 時計間隙測定に必要な安定性を満たす、分数周波数不安定度 $7.5 \times 10^{-14}$ を達成した。
• 短時間不安定度が $3.9 \times 10^{-14}/\sqrt{\tau}$ にまで低下した。これは、リアルタイム時計運用に非常に優れた性能を示している。
• 安定性を最適化するための最適なチップ上での光パワーは約4.1 mWであり、ノイズ低減と広帯域不安定度の両立に寄与した。
• フィードバック制御に統合項を組み込むことで、特にゆっくりとしたドリフト条件下でもロックの強靭性が向上した。
• 起動シーケンスは10 ms未塔で原子共鳴にロックに成功し、初回試行での成功率は90％を超えた。
• 2.5 msのプローブパルスを用いた非常に細い線幅分光法により、フーリエ制限の線幅380 Hzを達成し、高いスペクトル分解能を確認した。

Figure 2: Spiral waveguide modes. a , Spiral waveguide device layers comprising a Si 3 N 4 core and SiO 2 cladding. The combination of layers forms a dilute mode with ultralow loss. b , Spiral waveguide transverse modes supported by the device structure. The modes expand outside the nitride core to