[論文レビュー] Photonic integration of an optical atomic clock

Zachary L. Newman, Vincent Maurice+20 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 1被引用数 12

ひとこと要約

この論文は、シリコンチップ技術を用いたフォトニクス統合型光原時計を実証している。半導体レーザーをルビジウム遷移に安定化させ、相互に接続されたケルス・マイクロレゾネータ周波数コンブを用いて、光信号を22 GHzの電子時計信号に変換し、10^13分の1の分率周波数不安定性を達成している。統合により、ポータブルで高精度な計時用途に適したコンactで低複雑性の構造が実現された。

ABSTRACT

Laboratory optical atomic clocks achieve remarkable accuracy (now counted to 18 digits or more), opening possibilities to explore fundamental physics and enable new measurements. However, their size and use of bulk components prevent them from being more widely adopted in applications that require precision timing. By leveraging silicon-chip photonics for integration and to reduce component size and complexity, we demonstrate a compact optical-clock architecture. Here a semiconductor laser is stabilized to an optical transition in a microfabricated rubidium vapor cell, and a pair of interlocked Kerr-microresonator frequency combs provide fully coherent optical division of the clock laser to generate an electronic 22 GHz clock signal with a fractional frequency instability of one part in 10^13. These results demonstrate key concepts of how to use silicon-chip devices in future portable and ultraprecise optical clocks.

研究の動機と目的

• シリコンチップフォトニクスを用いたコンパクトでポータブルな光原時計アーキテクチャの開発を目的とする。
• 研究室規模の光原時計のサイズ、複雑性、消費電力を低減することを目的とする。
• 統合フォトニクスプラットフォームで高い周波数安定性を達成することを目的とする。
• チップ上に実装された周波数コンブを用いた一貫性のある光周波数分割の実証を目的とする。
• 光原時計の実用的導入を、実世界の応用において可能にする。

提案手法

• マイクロフォーミングされたルビジウム蒸気セルに埋め込まれた半導体レーザーを、チップ上に形成された5S–5P遷移に安定化させる。
• 2つの相互に接続されたケルス・マイクロレゾネータ周波数コンブが、時計レーザーの光的分割を一貫性を持って実現する。
• コンブが光信号を22 GHzの電子出力信号にダウンコンバートする。
• システムはチップ上に形成された波導およびレゾネータを用いて、部品数とフットプリントを最小限に抑える。
• 安定化技術により、出力信号の位相ノイズを低減し、高いコherー二ャスを確保する。
• 全アーキテクチャが1枚のシリコンチップ上にフォトニクス統合されており、フォトニクス統合を実現している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フォトニクス部品を用いた完全に統合された光原時計が、シリコンチップ上に実現可能かどうか。
• RQ2 コンパクトなアーキテクチャにおいて、チップ上に形成された周波数コンブがどの程度の周波数安定性を達成できるか。
• RQ3 統合時計の性能が、ボリュームの大きな研究室用システムと比べてどうなるか。
• RQ4 マイクロフォーミングされた蒸気セルが、原子遷移のための安定したレーザー固定を支えることができるか。
• RQ5 コンパクトなシステムにおいて、統合されたケルスコンブを用いた一貫性のある光周波数分割が実現可能かどうか。

主な発見

• 分率周波数不安定性が10^13分の1に達し、高い安定性を示した。
• チップ上に形成された周波数コンブを用いた一貫性のある光周波数分割により、22 GHzの電子時計信号が生成された。
• レーザーはマイクロフォーミングされたルビジウム蒸気セル内の5S–5P遷移に安定してロックされた。
• 相互に接続されたケルス・マイクロレゾネータは、広帯域かつ低ノイズの周波数コンブ生成をチップ上で可能にした。
• 全光原時計アーキテクチャが1枚のシリコンチップ上に統合され、サイズと複雑性が大幅に削減された。
• 結果として、研究室水準の性能を有するチップスケールでポータブルな光原時計の実現可能性が裏付けられた。