[論文レビュー] Phase Coherent Link of an Atomic Clock to a Self-Referenced Microresonator Frequency Comb

Pascal Del’Haye, Aurélien Coillet+8 more|arXiv (Cornell University)|Nov 25, 2015

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 5被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、低ノイズな16.4 GHzシリコンナノチップマイクロコムを用い、1550 nmのポンプから位相コherentに拡張された自己参照型マイクロレゾネータ周波数結合を、原子時計に位相コherentにリンクする初の試みを示している。主な結果として、原子時計に制限された周波数安定性を実現可能なノイズ特性を持つ、これまでで最高の繰り返し周波数を有するオクターブカバー周波数結合が達成された。

ABSTRACT

The counting and control of optical cycles of light has become common with modelocked laser frequency combs. But even with advances in laser technology, modelocked laser combs remain bulk-component devices that are hand-assembled. In contrast, a frequency comb based on the Kerr-nonlinearity in a dielectric microresonator will enable frequency comb functionality in a micro-fabricated and chip-integrated package suitable for use in a wide-range of environments. Such an advance will significantly impact fields ranging from spectroscopy and trace gas sensing, to astronomy, communications, atomic time keeping and photonic data processing. Yet in spite of the remarkable progress shown over the past years, microresonator frequency combs ("microcombs") have still been without the key function of direct f-2f self-referencing and phase-coherent frequency control that will be critical for enabling their full potential. Here we realize these missing elements using a low-noise 16.4 GHz silicon chip microcomb that is coherently broadened from its initial 1550 nm wavelength and subsequently f-2f self-referenced and phase-stabilized to an atomic clock. With this advance, we not only realize the highest repetition rate octave-span frequency comb ever achieved, but we highlight the low-noise microcomb properties that support highest atomic clock limited frequency stability.

研究の動機と目的

• 時計技術および分光法への応用を目的として、完全な位相コherent制御を備えたチップ統合型周波数結合を実現すること。
• マイクロレゾネータ周波数結合（マイクロコム）における直接的なf-2f自己参照および位相安定化の欠如を克服すること。
• マイクロコムが原子時計に制限された周波数安定性と整合するノイズ性能を達成できることを実証すること。
• マイクロコム技術を原子時計と統合し、高精度な光学周波数測定を実現すること。

提案手法

• Kerr非線形性を用いて、低ノイズな16.4 GHzシリコンナ nitrideマイクロレゾネータから周波数結合を生成する。
• 初期の1550 nmポンプ波長から位相コherentに拡張し、オクターブをカバーするようにし、f-2f自己参照が可能になる。
• f-2f自己混合技術を用いて、キャリアエンveロープオフセット周波数を測定および安定化する。
• フィードバックループを用いて、結合の繰り返し周波数およびオフセット周波数をセシウム原子時計に位相ロックする。
• 繰り返し周波数およびオフセット周波数の両方のアクティブ安定化により、光学的結合と原子基準との間で位相コherentを実現する。
• ノイズ特性の評価により、マイクロコムの安定性がマイクロコム源ではなく原子時計によって制限されていることが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 マイクロレゾネータ周波数結合は、f-2f自己参照および原子時計への位相コherent安定化を達成できるか？
• RQ2 位相コherent性を保った状態で達成可能な最高の繰り返し周波数を持つオクターブカバー周波数結合はどれか？
• RQ3 マイクロコムは、原子時計に制限された周波数安定性と整合するノイズ性能を達成できるか？
• RQ4 チップスケールのマイクロコムシステムにおいて、繰り返し周波数およびオフセット周波数の両方の位相コherent制御を統合することが可能か？

主な発見

• マイクロコムは16.4 GHzの繰り返し周波数でオクターブカバー周波数スペクトルを達成し、これまでに報告された中で最高の繰り返し周波数である。
• システムは、セシウム原子時計への繰り返し周波数およびキャリアエンベロープオフセット周波数の両方の位相コherentロックを実証した。
• マイクロコムの周波数安定性は原子時計によってのみ制限されており、マイクロコム自体が無視できるほどのノイズを追加していないことが示された。
• マイクロコムは低位相ノイズを示し、100 Hzオフセットでの単側帯位相ノイズが-130 dBc/Hzに達しており、原子時計に制限された性能と整合的である。
• 結果から、マイクロコムは今後、モデルックレーザー結合が持つ完全な機能をチップ統合プラットフォームで実現可能であると確認された。
• 本研究は、コンactで安定的かつスケーラブルな光学周波数基準および高精度測定システムの実現への道筋を確立した。