[论文解读] Fully-correlated pumping for dual-frequency VECSELs dedicated to cesium CPT clocks

Grégory Gredat, Debanuj Chatterjee+5 more|arXiv (Cornell University)|Dec 10, 2018

Semiconductor Lasers and Optical Devices参考文献 9被引用 5

一句话总结

本文提出一种用于852 nm双频VECSEL的全相关多模泵浦方案，通过单个多模激光二极管的振幅分割，生成两个空间分离、同相相关的泵浦光束。该方法在10 kHz–20 MHz频段实现10–20 dB的拍频相位噪声降低，实现了对铯CPT原子钟至关重要的低噪声运行。

ABSTRACT

We report a fully-correlated multi-mode pumping architecture optimized for dramatic noise reduction of a class-A dual-frequency Vertical External Cavity Surface Emitting Laser (VECSEL). Thanks to amplitude division of a laser diode, the two orthogonally polarized modes emitted by the VECSEL oscillating at 852 nm are separately pumped by two beams exhibiting fully in--phase correlated intensity noises. This is shown to lead to very strong and in-phase correlations between the two lasing modes intensities. As a result, the phase noise power spectral density of the RF beat note generated by the two modes undergoes a drastic reduction of about 10 to 20 dB throughout the whole frequency range from 10 kHz to 20 MHz and falls below the detection floor above a few MHz. A good agreement is found with a model which uses the framework of rate equations coupled by cross--saturation. The remaining phase noise is attributed to thermal effects and additional technical noises and lies mainly within the bandwidth of a phase-locked-loop.

研究动机与目标

• 解决在852 nm波长下实现双频VECSEL低相位噪声的挑战，以适用于铯CPT钟应用。
• 克服852 nm波长下高功率单模光纤泵浦激光器不可用的限制。
• 同时最小化交叉饱和度，并最大化两个正交偏振激光模式之间的同相强度噪声相关性。
• 开发一种实用的多模泵浦架构，实现低噪声运行，而无需依赖单模泵浦源。
• 使双频VECSEL能够应用于精密微波光子学和原子频率标准领域。

提出的方法

• 利用多模激光二极管光束的振幅分割，生成两个相同、空间分离的泵浦光束。
• 将每个泵浦光束直接耦合至VECSEL中不同的激光模式（正交偏振），确保其具有相同的时域强度噪声特性。
• 在两个泵浦区域之间实现98%的同相强度噪声相关性（η = 0.98，Ψ = 0°）。
• 通过空间分离泵浦光斑来最小化增益竞争，从而降低交叉饱和度（C = 0.05）。
• 采用YAG腔板（100 µm厚度）控制自由光谱范围，并在数百MHz频段生成拍频信号。
• 使用包含交叉饱和项的速率方程模型，并通过二阶低通滤波器近似引入热噪声。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管缺乏单模泵浦激光器，全相关多模泵浦是否能够降低852 nm波长下双频VECSEL的相位噪声？
• RQ2 泵浦区域之间的强度噪声相关性在多大程度上可抑制射频拍频信号的相位噪声？
• RQ3 两个激光模式之间的交叉饱和度如何影响相位噪声？能否通过空间分离泵浦实现最小化？
• RQ4 热效应和技术噪声在限制剩余相位噪声底限方面起什么作用？
• RQ5 该泵浦架构是否可推广至单模泵浦激光器不可用或功率不足的其他波长？

主要发现

• 全相关泵浦方案在10 kHz至20 MHz频段内，使射频拍频信号的相位噪声功率谱密度降低了10–20 dB。
• 测量得到的相位噪声在数MHz以上已低于检测下限，表明在高频段接近量子极限性能。
• 两束泵浦光之间的强度噪声相关性达到η = 0.98，且相对相位为零（Ψ = 0°），证实了强同相相关性。
• 交叉饱和度被最小化至C = 0.05，表明两个激光模式之间的增益竞争极弱。
• 实验测得的相位噪声谱在300 kHz以下呈现f⁻³依赖性，而理论模型预测为f⁻⁴，表明热噪声模型尚需进一步优化。
• 剩余相位噪声主要归因于热效应和技术噪声，其中大部分位于环路带宽内。