[論文レビュー] Self-referencing a continuous-wave laser with electro-optic modulation

Katja Beha, Daniel C. Cole+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2015

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 34被引用数 11

ひとこと要約

本論文では、電気光学的変調（EOM）を用いて連続波（CW）レーザーを自己参照することで、周波数コンブを生成し、<5×10⁻¹⁴の分率精度および安定性を達成する絶対的光周波数測定を実現する手法を提示する。CWレーザーをパルス列に変調し、非線形ファイバーを用いてスペクトルを拡張した後、ノイズを抑制するためのフィルタリングを施したのちにf-2f干渉計測定を実施することで、レーザー周波数をEOM繰り返し周波数の整数倍にリンクするキャリアエンveロープオフセット周波数を高精度に測定する。

ABSTRACT

We phase-coherently measure the frequency of continuous-wave (CW) laser light by use of optical-phase modulation and f-2f nonlinear interferometry. Periodic electro-optic modulation (EOM) transforms the CW laser into a continuous train of picosecond optical pulses. Subsequent nonlinear-fiber broadening of this EOM frequency comb produces a supercontinuum with 160 THz of bandwidth. A critical intermediate step is optical filtering of the EOM comb to reduce electronic-noise-induced decoherence of the supercontinuum. Applying f-2f self-referencing with the supercontinuum yields the carrier-envelope offset frequency of the EOM comb, which is precisely the difference of the CW laser frequency and an exact integer multiple of the EOM pulse repetition rate. Here we demonstrate absolute optical frequency metrology and synthesis applications of the self-referenced CW laser with &lt;5E-14 fractional accuracy and stability.

研究の動機と目的

• 自己参照技術を用いて連続波レーザーの絶対的光周波数測定を可能にする。
• 事前から周波数コンブを有さない連続波レーザーにおいて、キャリアエンベロープオフセット周波数を測定する課題を克服する。
• コンactな、すべての電気光学的アプローチを用いて、高精度な周波数メトロロジーと周波数合成を実現する。
• 中間の光学フィルタリングにより、スーパーコンティンウム生成における電子的ノイズに起因する位相の不整合（デコherence）を低減する。
• 光学時計や高精度分光法の応用に向け、10⁻¹⁴未塔の分率周波数安定性を実証する。

提案手法

• 連続波レーザーに電気光学的変調（EOM）を適用し、ピコ秒パルスの周期的列を生成する。
• EOMで変調されたパルス列を非線形ファイバーに導入し、160 THzにわたるスーパーコンティンウムを生成する。
• 光学フィルタを用いて、スーパーコンティンウムにおける電子的ノイズに起因する位相の不整合（デコherence）を低減し、位相コherーの向上を図る。
• フィルタリングされたスーパーコンティンウムにf-2f自己参照干渉計測定を適用し、キャリアエンベロープオフセット周波数を測定する。
• キャリアエンベロープオフセット周波数は、CWレーザー周波数とEOM繰り返し周波数の整数倍との差として特定される。
• このシステムにより、位相コherentな周波数測定と高安定性な光周波数合成が可能となる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 事前に周波数コンブを必要とせずに、連続波レーザーを自己参照できるか？
• RQ2 電気光学的変調をどのように用いることで、CWレーザーから位相コherentな周波数コンブを生成できるか？
• RQ3 中間の光学フィルタリングは、スーパーコンティンウム生成におけるノイズに起因する位相の不整合（デコherence）低減に果たす役割は何か？
• RQ4 EOMで変調されたCW光から得られるスーパーコンティンウムに、f-2f自己参照が効果的に適用可能か？
• RQ5 本手法を用いた自己参照CWレーザーシステムで、どの程度の周波数精度と安定性が達成可能か？

主な発見

• システムは、分率精度が5×10⁻¹⁴未塔の絶対的光周波数測定を達成する。
• キャリアエンベロープオフセット周波数は、CWレーザー周波数とEOM繰り返し周波数の整数倍との差として高精度に測定される。
• EOMコンブの光学フィルタリングにより、電子的ノイズに起因するスーパーコンティンウム内の位相の不整合（デコherence）が顕著に低減される。
• 非線形ファイバーによるスペクトル拡張によって生成されたスーパーコンティンウムは、160 THzの帯域幅を有する。
• 本手法により、10⁻¹⁴未塔の分率安定性を有する安定な光周波数合成が実現される。
• 本アプローチは、電気光学素子と非線形ファイバーのみを用いたCWレーザーの自己参照に実用的かつ有効な道筋を示す。