[논문 리뷰] Phase Coherent Link of an Atomic Clock to a Self-Referenced Microresonator Frequency Comb

Pascal Del’Haye, Aurélien Coillet외 8명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 25.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 저잡음 16.4 GHz 실리콘 칩 마이크로콤을 사용하여 1550 nm에서 시작해 위상공진으로 확장된 자가참조 마이크로레조나르의 주파수 조합을 원자 시계에 처음으로 위상공진으로 연결함으로써, 원자 시계 제한 주파수 안정도를 가능하게 하는 낮은 잡음의 16.4 GHz 실리콘 나이트라이드 마이크로콤을 사용하여, 자가참조 마이크로레조나르 주파수 조합과의 첫 번째 위상공진 연결을 구현하였다. 주요 결과는 기존에 달성된 바가 없는 가장 높은 반복주기 오큘트 스펙트럼을 갖는 주파수 조합을 실현한 것으로, 잡음 특성이 원자 시계 제한 주파수 안정도를 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 시간 측정 및 분광법에 응용 가능한 칩 통합 주파수 조합에서 전체 위상공진 제어를 가능하게 하기 위해.
• 마이크로레조나르 주파수 조합(마이크로콤)에서 직접적인 f-2f 자가참조 및 위상 안정화의 부족을 극복하기 위해.
• 마이크로콤이 원자 시계 제한 주파수 안정도에 적합한 잡음 성능을 달성할 수 있음을 입증하기 위해.
• 마이크로콤 기술을 원자 시계와 통합하여 고정밀 광주기 측정을 가능하게 하기 위해.

제안 방법

• Kerr 비선형성을 통해 주파수 조합을 생성하기 위해 저잡음 16.4 GHz 실리콘 나이트라이드 마이크로레조나르를 사용한다.
• 초기 1550 nm 펌프 파장에서 시작해 오큘트 스펙트럼을 확장함으로써 f-2f 자가참조가 가능하도록 조합을 위상공진으로 확장한다.
• Carrier-envelope offset 주파수를 측정하고 안정화하기 위해 f-2f 자기혼합 기법을 적용한다.
• 피드백 루프를 사용하여 조합의 반복주기와 오프셋 주파수를 세슘 원자 시계에 위상공진으로 锁정한다.
• 반복주기와 오프셋 주파수를 모두 활성 안정화함으로써 광주기 조합과 원자 기준 간의 위상공진을 실현한다.
• 잡음 특성 분석 결과, 마이크로콤의 안정성이 원자 시계에 의해 결정되며, 마이크로콤 소스에 의한 잡음은 거의 없음을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 마이크로레조나르 주파수 조합이 f-2f 자가참조 및 원자 시계에 위상공진으로 안정화될 수 있는가?
• RQ2 위상공진이 확보된 상태에서 달성 가능한 가장 높은 반복주기 오큘트 스펙트럼 마이크로콤은 무엇인가?
• RQ3 마이크로콤이 원자 시계 제한 주파수 안정도에 적합한 잡음 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 칩 스케일 마이크로콤 시스템에서 반복주기와 오프셋 주파수의 위상공진 제어를 통합할 수 있는가?

주요 결과

• 마이크로콤은 기존에 보고된 바가 없는 가장 높은 반복주기인 16.4 GHz에서 오큘트 스펙트럼을 확보하였다.
• 시스템은 반복주기와 커버-엔벨롭 오프셋 주파수를 모두 세슘 원자 시계에 위상공진으로 锁정함을 입증하였다.
• 마이크로콤의 주파수 안정성은 원자 시계에 의해 결정되며, 이는 마이크로콤 자체가 거의 잡음을 유발하지 않음을 시사한다.
• 마이크로콤은 낮은 위상잡음 특성을 보이며, 100 Hz 오프셋에서 단일측대 위상잡음이 -130 dBc/Hz에 이르렀고, 이는 원자 시계 제한 성능과 일치한다.
• 결과적으로 마이크로콤이 칩 통합 플랫폼에서 모드-락 레이저 조합의 전반적인 기능을 수행할 수 있음을 확인하였다.
• 이 연구는 작고 안정적이며 확장 가능한 광주기 기준 및 정밀 측정 시스템을 위한 길을 열었다.