[논문 리뷰] Optical Atomic Clock Interrogation Via an Integrated Spiral Cavity Laser

William Loh, David Reens외 19명|arXiv (Cornell University)|2024. 03. 19.

Atomic and Subatomic Physics Research인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 $7.5 \times 10^{-14}$의 분수 주파수 불안정도를 달성한 칩 통합 나선형 공진기 레이저(ISCL)를 통해 $^{88}$Sr$^+$ 이온의 고안정성 조사가 가능함을 보여주며, 통합 광학 기반 기술을 활용한 완전히 통합되고 이동 가능한 시계 시스템을 실현한다. 이 시스템은 단기 불안정도를 $3.9 \times 10^{-14}/\sqrt{\tau}$로 평균 내어, 통합 광학 기반의 현장 적용 가능하고 대량 생산이 가능한 고성능 광학 시계 개발을 위한 핵심 단계를 밟는다.

ABSTRACT

Optical atomic clocks have demonstrated revolutionary advances in precision timekeeping, but their applicability to the real world is critically dependent on whether such clocks can operate outside a laboratory setting. The challenge to clock portability stems from the many obstacles not only in miniaturizing the underlying components of the clock $-$ namely the ultrastable laser, the frequency comb, and the atomic reference itself $-$ but also in making the clock resilient to environmental fluctuations. Photonic integration offers one compelling solution to simultaneously address the problems of miniaturization and ruggedization, but brings with it a new set of challenges in recreating the functionality of an optical clock using chip-scale building blocks. The clock laser used for atom interrogation is one particular point of uncertainty, as the performance of the meticulously-engineered bulk-cavity stabilized lasers would be exceptionally difficult to transfer to chip. Here we demonstrate that a chip-integrated ultrahigh quality factor (Q) spiral cavity, when interfaced with a 1348 nm seed laser, reaches a fractional frequency instability of $7.5 imes 10^{-14}$, meeting the stability requirements for interrogating the narrow-linewidth transition of $^{88}$Sr$^+$ upon frequency doubling to 674 nm. In addition to achieving the record for laser stability on chip, we use this laser to showcase the operation of a Sr-ion clock with short-term instability averaging down as $3.9 imes 10^{-14} / \sqrtτ$, where $τ$ is the averaging time. Our demonstration of an optical atomic clock interrogated by an integrated spiral cavity laser opens the door for future advanced clock systems to be entirely constructed using lightweight, portable, and mass-manufacturable integrated optics and electronics.

연구 동기 및 목표

• 칩 기반 광학 원자 시계 운영에 적합한 소형이고 안정된 레이저 소스를 개발하기 위해.
• 현장에 배치 가능한 광학 시계를 위한 초안정 레이저의 소형화 과제를 해결하기 위해.
• $^{88}$Sr$^+$ 이온의 좁은 선폭 전이 조사를 위한 엄격한 요구 조건을 충족하는 칩 기반 레이저 안정성을 확보하기 위해.
• 칩 스케일 구성 요소를 사용한 완전히 통합된 광학 시계 시스템을 구현하여 이동성과 내구성을 향상시키기 위해.
• 단기 불안정도가 낮은 실시간 피드백 및 원자 상태 검출을 포함한 실제 시계 프로토콜에서 ISCL의 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• 실리콘 질화물 웨이브가이드를 사용해 제작한 고 품질 인덕터(Q) 공진기와 함께 칩 통합 나선형 공진기 레이저(ISCL)를 사용하였다.
• ISCL를 1348 nm 시드 레이저에 결합하고 비례-적분(PI) 잠금을 사용한 피드백 제어 시스템을 통해 레이저 주파수를 안정화시켰다.
• 느린 레이저 드리프트에 대한 저항성을 향상시키기 위해 통합 항목을 포함한 이중 루프 잠금 방식을 구현하였다.
• 포획된 $^{88}$Sr$^+$ 이온을 대상으로 라마시 스펙트로스코피 및 라비 측정을 수행하여 레이저 성능을 검증하였다.
• 시작 지연을 최소화하고 원자 공명에 신속하게 잠금을 걸기 위해 FPGA 기반 실시간 제어를 사용하였다.
• 환경적 요동을 줄이기 위해 섬유 전달 시스템에 진동 및 노이즈 제거 기술을 적용하였다.

Figure 1: ISCL laser design. a , Illustration of an eventual fully integrated clock laser comprising an external cavity seed laser probing an ultrahigh quality factor spiral resonator, a phase modulator and photodetector to enable Pound-Drever-Hall (PDH) Drever et al. ( 1983 ) locking of the seed to

실험 결과

연구 질문

• RQ1 칩 통합 나선형 공진기 레이저가 $^{88}$Sr$^+$ 시계 전이 조사를 위한 필수 주파수 안정성을 확보할 수 있는가?
• RQ2 단기 불안정도 측면에서 ISCL의 성능이 대규모 레이저 시스템과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 ISCL는 실시간 피드백 및 원자 상태 검출을 포함한 완전한 광학 시계 프로토콜에서 효과적으로 사용될 수 있는가?
• RQ4 ISCL에서 낮은 노이즈와 높은 안정성을 동시에 확보하기 위해 최적의 칩 내 광출력은 무엇인가?
• RQ5 ISCL는 얼마나 완전히 통합되고 이동 가능한 광학 시계 시스템을 가능하게 할 수 있는가?

주요 결과

• ISCL는 $7.5 \times 10^{-14}$의 분수 주파수 불안정도를 달성하여 $^{88}$Sr$^+$ 시계 조사의 안정성 기준을 충족시켰다.
• 시스템은 $3.9 \times 10^{-14}/\sqrt{\tau}$의 단기 불안정도를 보이며 실시간 시계 운영에 매우 우수한 성능을 보였다.
• 안정성 확보를 위한 최적의 칩 내 광출력은 약 4.1 mW로, 노이즈 감소와 광대역 불안정도 사이의 균형을 이루었다.
• 피드백 제어에 통합 항목을 포함시킴으로써, 특히 느린 드리프트 조건에서 잠금의 견고성이 향상되었다.
• 시작 프로세스는 10 ms 이내에 원자 공명에 잠금을 걸었으며, 첫 번째 尝시도에서 성공률가 90% 이상을 기록하였다.
• 2.5 ms의 프로브 펄스로 수행한 좁은 선폭 스펙트로스코피는 380 Hz의 푸리에 제한된 선폭을 확인하여 높은 스펙트럼 해상도를 입증하였다.

Figure 2: Spiral waveguide modes. a , Spiral waveguide device layers comprising a Si 3 N 4 core and SiO 2 cladding. The combination of layers forms a dilute mode with ultralow loss. b , Spiral waveguide transverse modes supported by the device structure. The modes expand outside the nitride core to