[論文レビュー] Optical frequency generation using fiber Bragg grating filters for applications in portable quantum sensing

C. D. Macrae, Kai Bongs+1 more|arXiv (Cornell University)|Nov 23, 2020

Advanced Fiber Optic Sensors参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本論文では、コンパクトでアライメントフリーな単一シードファイバー lasersystem において、ファイバー・ブレグ・グレーティング（FBG）を用いた高速かつ高帯域の光周波数生成手法を提案する。電気光学モジュレータからの不要なサイドバンドをFBGフィルタで抑制することで、40 GHzの周波数範囲で50 nsの周波数スイッチングが実現され、出力パワーは0.5 W、120 dBの消光比を持つ振幅変調が達成された。これにより、ルビジウム原子干渉計におけるポータブル量子センシング用途に向けた耐障害性が高く、高性能なレーザー冷却とラーマン励起が可能になった。

ABSTRACT

A method for the agile generation of the optical frequencies required for laser cooling and atom interferometry of rubidium is demonstrated. It relies on fiber Bragg grating technology to filter the output of an electro-optic modulator and was demonstrated in a robust, alignment-free, single-seed, frequency-doubled, telecom fiber laser system. The system was capable of 50 ns frequency switching over a ~40 GHz range, ~0.5 W output power and amplitude modulation with a ~15 ns rise/fall time and an extinction ratio of 120 $\pm$ 2 dB. The technology is ideal for enabling high-bandwidth, mobile industrial and space applications of quantum technologies.

研究の動機と目的

• ポータブル量子センシング用途に適したコンパクトで耐障害性があり、アライメントフリーなレーザーシステムの開発。
• ルビジウムベースの原子干渉計およびレーザー冷却における高速でアグレッシブかつコherentな光周波数生成のニーズに対応。
• 従来の単一シードシステムの限界、例えばスイッチング速度の遅さや不要な光サイドバンドの十分な抑制が不十分な点を克服。
• 光学シャッタを用いずとも高帯域・高消光比パルス生成を可能にし、測定帯域幅とコherenceを向上。
• モバイルおよび宇宙用量子技術に適したスケーラブルでファイバー統合型のソリューションを実証。

提案手法

• 1560 nmの単一シードレーザーと電気光学モジュレータ（EOM）を組み合わせ、二重サイドバンドの光スペクトルを生成。
• 中心波長を可変とするファイバー・ブレグ・グレーティング（FBG）フィルタを用い、望ましいサイドバンドのみを効果的に反射し、キャリア波および他のサイドバンドを抑制。
• 温度制御されたFBGを用い、50–60 GHzの調節範囲と50 MHz–50 GHzの反射帯域幅を実現し、不要な周波数成分を20 dB以上減衰。
• 光学サーキュレータを用いて入力信号と反射（フィルタリング済み）信号を分離し、周波数倍算後に780 nmでの効率的な単一サイドバンド出力が可能に。
• 直接デジタル合成（DDS）を用いてRF位相および振幅制御を高速化し、50 ns未満の周波数および振幅スイッチングを実現。
• 非線形結晶における和周波数生成を活用し、1560 nmでの変調後に周波数倍算を施すことで、780 nmでの高消光比振幅変調を達成。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファイバー・ブレグ・グレーティングフィルタリングは、コンパクトで単一シードのファイバー・レーザーシステムにおいて、高抑制率かつ高速な単一サイドバンド光周波数生成を可能にするか？
• RQ2 ファイバー・ブレグ・グレーティングベースのフィルタリングは、ファブリ・ペロー・フィルターや光学シャッタを用いた従来の単一シードシステムと比較して、スイッチング速度およびサイドバンド抑制の面でどの程度向上するか？
• RQ3 このシステムは、冷たいルビジウム原子における高精度なレーザー冷却およびラーマン励起に必要な十分な位相コherーと消光比を達成できるか？
• RQ4 追加のFBGやEOMの高次調波を組み込む場合、FBGフィルタリングの性能はどのようにスケーリングするか？また、複数の独立した光出力をサポートできるか？
• RQ5 シード波長およびFBGパrametersを調整することで、この手法は他の原子種や量子系へ応用可能か？

主な発見

• 40 GHzの周波数範囲で50 nsの周波数スイッチングが達成され、従来の単一シードシステムと比較してスイッチング速度が4000倍向上した。
• 単一サイドバンド変調は14.2 ± 0.3 nsの立ち上がり時間と16.4 ± 0.2 nsの立ち下がり時間を達成し、高帯域パルス生成が可能になった。
• 120 ± 2 dBの消光比が測定され、パルスシーケンス中の信号対雑音比と原子のコherenceが顕著に向上した。
• 780 nmでの不要な光周波数は約15.7 dB抑制されたが、追加のFBGを用いることでさらなる改善が可能である。
• 冷たいルビジウム原子におけるラビ振動が正常に観測され、システムの原子状態のコherentな操作能力が確認された。
• 光信号の位相ノイズは、20 kHzの周波数オフセットまでRFソースにほぼ完全に追従し、位相ロックなしで高精度なRFから光周波数への変換が実現した。