[論文レビュー] Miniature Optical Atomic Clock: Stabilization of a Kerr Comb Oscillator

Anatoliy A. Savchenkov, Danny Eliyahu+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 15, 2013

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 16被引用数 7

ひとこと要約

本論文では、87RbのD1遷移に1本のポンプレーザーをロックすることで安定化された、マイクロレゾネータを用いたKerr周波数コンブを用いた小型光学原子時計を提案する。ポンプレーザー周波数とコンブ繰り返し周波数の内在的相関を活用することで、オクターブ帯域スペクトルや外部マスターオシレーターを必要とせず、コンブ全体を完全に安定化させる。その結果、パームサイズの物理的パッケージにおいて約2×10⁴秒の積分時間で3×10⁻¹³の長期安定性を達成した。

ABSTRACT

Mechanical clocks consist of a pendulum and a clockwork that translates the pendulum period to displayed time. The most advanced clocks utilize optical transitions in atoms in place of the pendulum and an optical frequency comb generated by a femtosecond laser as the clockwork. The comb must be stabilized at two points along its frequency spectrum: one with a laser to lock a comb line to a transition in the atom, and another through self referencing to stabilize the frequency interval between the comb lines. This approach requires advanced techniques, so optical atomic clocks are currently laboratory devices in specialized labs. In this paper we leverage unique properties of Kerr comb oscillators for realization of optical atomic clocks in miniature form factors. In particular, we describe a clock based on D1 transition of 87Rb that fits in the palm of the hand, and can be further miniaturized to chip scale.

研究の動機と目的

• 従来の二点安定化の複雑さを回避する、コンactでチップスケールの光学原子時計アーキテクチャの開発。
• Kerrコンブ発振器のスペクトル内の1点のみを原子遷移にロックすることにより、コンブ全体のスペクトルが安定化可能であることを実証すること。
• 通信、センシング、高精度計測の実用的応用に適した小型化されたフォームファクタで高い安定性を達成すること。
• 安定な時計動作において、オクターブ帯域コンブや外部リファレンスコンブの必要がないことを検証すること。

提案手法

• 794 nmの分散フィードバック（DFB）レーザーを用いて、高Q値のCaF2ウィスピングギャラリー・モード（WGM）レゾネータをポンプし、Kerr周波数コンブを生成した。
• ポンプレーザー周波数とコンブ繰り返し周波数の内在的相関を活用し、1つの周波数点のロックのみでコンブ全体を安定化可能であることを実現した。
• 自己注入ロックおよびPound-Drever-Hall（PDH）技術を用いて、ポンプレーザーをWGMレゾネータモードおよび87Rb D1遷移に同時にロックした。
• 1550 nmのDFBレーザーをP9 HCN分子遷移にロックし、リファレンスオシレーターとして用い、光周波数およびRF周波数のドリフトを測定・相関させた。
• ポンプレーザーとコンブ繰り返し周波数（RF信号）の同時ドリフトを測定し、周波数比ω₀/ω_RFが確認され、ワンポイント安定化の有効性を裏付けた。
• レゾネータに0.24 Hzの熱的変調を加えることで、原子遷移の位相ロック検出を可能にし、長期安定性を向上させた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Kerr周波数コンブ発振器は、オクターブ帯域コンブや外部リファレンスを必要とせず、スペクトル内の1点のみをロックすることで完全に安定化可能か？
• RQ2 自由走行のKerrコンブにおいて、ポンプレーザー周波数とコンブ繰り返し周波数の関係は何か？ そして、これをワンポイント安定化に利用可能か？
• RQ3 ワンポイントロックアプローチを用いることで、パームサイズの物理的パッケージに小型光学原子時計を実現可能か？
• RQ4 アラン分散および長期的性能の観点から、従来の二点安定化システムと比較して、この時計の安定性はどのように評価されるか？

主な発見

• 測定されたアラン分散は、積分時間約2×10⁴秒で3×10⁻¹³に達し、これはリファレンスRb時計のノイズフロアに制限されていた。
• 光周波数およびRF周波数のドリフトは、ω₀/ω_RFの比で相関しており、ポンプレーザーのワンポイントロックがコンブ全体のスペクトルを安定化していることを確認した。
• アラン分散におけるτ⁻¹の動作を示し、長時間積分において位相拡散が主なノイズ源でないことを示した。
• 0.24 Hzの熱的変調により、その平均化時間でアラン分散が2桁増加したが、これは予想される変調サイドバンド効果と整合的であった。
• 時計の性能は複数回にわたり再現され、ワンポイント安定化アプローチの堅牢性が確認された。
• 時計の物理的パッケージは5×6×1.2 cmに留まり、チップスケール統合の可能性を示した。