[論文レビュー] Synchronous mode-locked laser network with 20$^{th}$ decimal timing precision

Kemal Şafak, Ming Xin+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2017

Atomic and Subatomic Physics Research被引用数 2

ひとこと要約

本論文は、4.7kmのファイバーリンクを介して40時間にわたり1Hz未満で0.6 fs RMSのタイミングドリフトを達成する同期モードロックレーザーネットワークを提示しており、20桁目のタイミング精度を実証している。システムは、異なる波長と繰り返し周波数で動作する2台のリモートスレーブレーザーを安定化する包括的なフィードバックループを用いており、1 Hzから1 MHzの周波数範囲で測定されたアウト・オブ・ループタイミングジッターはわずか1.3 fs RMSであり、ファイバー・リンクにおけるパルスタイミングジッターの標準量子限界を示している。

ABSTRACT

Filming chemical reactions or atoms in motion is one of the greatest scientific dreams yet to be accomplished which requires sub-atomic spatiotemporal resolution. Newly emerging X-ray free electron lasers and laser-based attoscience centers are the most likely candidates to succeed first thanks to their angstrom-level radiation. To provide the necessary temporal resolution, these facilities must be able to synchronize numerous mode-locked lasers with ultra-high precision across kilometer-distances. Here, we report a synchronous mode-locked laser network incorporating two remote slave lasers at different central wavelengths and repetition rates over 4.7-km distance. The network exhibits a record-low timing drift of 0.6 fs RMS below 1 Hz over 40 h reaching the 20$^{th}$ decimal uncertainty in ~8000-s averaging time. Short-term stability measurements show an out-of-loop timing jitter of only 1.3 fs RMS integrated from 1 Hz to 1 MHz. We also present a comprehensive noise analysis of the network considering both quantum noise and technical noise sources. For the first time in literature, we reveal the standard quantum limit for the timing jitter acquired by optical pulses when traveling in fiber links. Our comprehensive feedback loop analysis reveals nine technical noise sources out of which the slave lasers inherent jitter dominates with 1.26 fs RMS. This suggests that timing precision of the network is not limited by our synchronization scheme and could be improved even further by developing lower noise mode-locked lasers.

研究の動機と目的

• 超高速な化学的・原子的プロセスの撮影において、原子以下の空間的・時間的分解能を実現するため、レーザー同期における極めて高いタイミング精度を達成すること。
• キロメートルスケールの距離にわたり、複数のリモートモードロックレーザーを、フェムト秒未塔の安定性で同期する課題に取り組むこと。
• ファイバー基盤のレーザーネットワークにおけるタイミング精度を制限する主要なノイズ源を特定および定量すること。
• 理論的および実験的データに基づき、ファイバー・リンク内を伝播する光パルスのタイミングジッターにおける標準量子限界を実験的に明らかにすること。
• 現在の同期スキームが制限要因ではないこと、むしろスレーブレーザーの固有のジッターが制限要因であることを示すこと。

提案手法

• 異なる中心波長および繰り返し周波数で動作する2台のリモートスレーブレーザーを備えたマスタースレーブレーザーネットワークの実装。
• 4.7kmのファイバーリンクを横断するタイミングを安定化する包括的なフィードバックループの使用により、ドリフトおよびジッターを最小限に抑える。
• システム内の量子ノイズと技術的ノイズ源を分離するための詳細なノイズ解析フレームワークの採用。
• 9つの異なる技術的ノイズ寄与要因をモデル化・定量するためのフルループ伝達関数解析の適用。
• 同期パルス間のクロス相関技術を用いてアウト・オブ・ループタイミングジッターを測定。
• 理論的および実験的データに基づき、ファイバー・リンクにおけるタイミングジッターの標準量子限界を導出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同期レーザーネットワーク内を伝播する光パルスのタイミングジッターの根本的限界は何か？
• RQ2 長距離・マルチレーザー同期システムにおいて、タイミング不安定性を支配する主なノイズ源は何か？
• RQ3 フィードバックに基づく同期スキームは、キロメートル距離でフェムト秒未塔の安定性を達成できるか？
• RQ4 タイミング精度は平均化時間とともにどのように変化するか？また、達成可能な不確実性レベルは何か？
• RQ5 ネットワークの性能は、同期スキームの制限によるものか、それともスレーブレーザーの固有特性によるものか、その程度はいかほどか？

主な発見

• ネットワークは、40時間にわたり1Hz未満で0.6 fs RMSの記録的な低ドリフトを達成しており、約8000秒の平均化時間における20桁目の不確実性に対応している。
• 1 Hzから1 MHzの周波数範囲にわたって統合されたアウト・オブ・ループタイミングジッターはわずか1.3 fs RMSであり、優れた短期安定性を示している。
• 包括的なノイズ解析により9つの技術的ノイズ源が同定され、その中でスレーブレーザーの固有ジッターが1.26 fs RMSと最も寄与していることが判明した。
• 本研究は、文献上では初めて、ファイバー基盤の光パルス伝送におけるタイミングジッターの標準量子限界を明らかにした。
• 結果から、現在の同期スキームが制限要因ではないことが示され、今後の改善はモードロックレーザーの固有ジッターを低減することで可能である。
• 既存のフィードバックアーキテクチャを用いることで、低ノイズレーザーを用いれば、キロメートル距離でフェムト秒未塔の同期が実現可能であることが示された。