[논문 리뷰] Photonic integration of an optical atomic clock

Zachary L. Newman, Vincent Maurice외 20명|arXiv (Cornell University)|2018. 11. 01.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 1인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 실리콘 칩 기술을 사용하여 광학적 집적 원자 시계를 구현하며, 반도체 레이저를 고체 루비듐 전이에 고정하고, 상호 연결된 킬러-마이크로레조네이터 주파수 조합을 활용하여 광신호를 22 GHz 전자 시계 신호로 변환하여 분수 주파수 불안정도가 10^13의 1부분 수준이 되도록 한다. 통합 기술은 소형이고 복잡도가 낮은 아키텍처를 가능하게 하여 이동식 고정밀 시계 응용 분야에 적합하다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실리콘 칩 광학 집적 기술을 사용하여 소형 이동식 광학 원자 시계 아키텍처를 개발한다.
• 실험실 규모 광학 원자 시계의 크기, 복잡도, 전력 소모를 줄인다.
• 집적 광학 플랫폼에서 고주파 안정성을 달성한다.
• 칩 내 주파수 조합을 활용한 일관된 광주파수 분할을 구현한다.
• 실세계 응용 분야에서 실용적인 광학 원자 시계의 구현을 가능하게 한다.

제안 방법

• 마이크로프로세스된 루비듐 기체 세포에 내장된 칩 상의 5S–5P 전이에 반도체 레이저를 고정한다.
• 두 개의 상호 연결된 킬러-마이크로레조네이터 주파수 조합이 원자 시계 레이저의 일관된 광주파수 분할을 생성한다.
• 주파수 조합이 광신호를 22 GHz 전자 출력 신호로 하향 변환한다.
• 시스템은 구성 요소 수와 면적을 최소화하기 위해 칩 내 파손도 및 레조네이터를 사용한다.
• 안정화 기술을 통해 출력 신호의 낮은 위상 노이즈와 높은 일관성을 확보한다.
• 전체 아키텍처는 실리콘 칩에 제작되어 광학 집적 기술을 구현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 광학 구성 요소를 사용하여 실리콘 칩에 완전히 통합된 광학 원자 시계를 실현할 수 있는가?
• RQ2 소형 아키텍처에서 칩 내 주파수 조합을 통해 달성할 수 있는 주파수 안정도 수준은 무엇인가?
• RQ3 통합 시스템의 성능은 대규모 실험실 시스템과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 마이크로프로세스된 기체 세포가 원자 전이의 안정적 레이저 锁정을 지원할 수 있는가?
• RQ5 소형 시스템에서 칩 내 킬러 조합을 활용한 일관된 광주파수 분할이 실현 가능한가?

주요 결과

• 시스템은 분수 주파수 불안정도가 10^13의 1부분 수준으로 매우 높은 안정성을 확보하였다.
• 칩 내 주파수 조합을 활용한 일관된 광주파수 분할을 통해 22 GHz 전자 시계 신호를 생성하였다.
• 레이저는 마이크로프로세스된 루비듐 기체 세포의 5S–5P 전이에 안정적으로 锁정되었다.
• 상호 연결된 킬러-마이크로레조네이터는 칩 상에서 넓은 대역폭과 낮은 노이즈 주파수 조합을 생성한다.
• 전체 광학 원자 시계 아키텍처가 단일 실리콘 칩에 통합되어 크기와 복잡도가 감소하였다.
• 결과적으로 실험실 수준의 성능을 갖춘 칩 스케일 이동식 광학 원자 시계의 실현 가능성을 입증하였다.