[论文解读] Photonic integration of an optical atomic clock

Zachary L. Newman, Vincent Maurice+20 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2018

Advanced Fiber Laser Technologies参考文献 1被引用 12

一句话总结

本文展示了一种基于硅基芯片技术的光子集成光学原子钟，通过将半导体激光器锁定至铷原子跃迁频率，并利用互锁的克尔微腔光梳将光信号下变频至22 GHz的电子钟信号，实现了10^13量级的分数频率不稳定度。该集成架构实现了紧凑、低复杂度的设计，适用于便携式高精度定时应用。

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.

研究动机与目标

• 开发基于硅基芯片光子学的紧凑型便携式光学原子钟架构。
• 减小实验室级光学钟的尺寸、复杂度和功耗。
• 在集成光子平台上实现高频率稳定性。
• 展示基于片上光梳的相干光学频率分频。
• 实现在实际应用场景中光学钟的实用化部署。

提出的方法

• 将半导体激光器锁定至芯片上微加工的铷蒸气腔中的5S–5P跃迁频率。
• 利用两个互锁的克尔微腔光梳实现对钟激光的相干光学分频。
• 光梳将光信号下变频至22 GHz的电子输出信号。
• 系统采用片上波导和谐振腔，最大限度减少元器件数量和占用面积。
• 通过稳定技术确保输出信号具有低相位噪声和高相干性。
• 整个架构完全集成于单块硅芯片上，实现了光子集成。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否利用光子元器件在硅芯片上实现全集成的光学原子钟？
• RQ2 在紧凑架构中，片上光梳可实现何种水平的频率稳定性？
• RQ3 集成钟的性能与大型实验室系统相比如何？
• RQ4 微加工蒸气腔能否支持对原子跃迁的稳定激光锁定？
• RQ5 在紧凑系统中，基于集成克尔光梳的相干光学频率分频是否可行？

主要发现

• 系统实现了10^13量级的分数频率不稳定度，表现出高稳定性。
• 通过片上光梳实现相干光学分频，生成了22 GHz的电子钟信号。
• 激光稳定锁定于微加工铷蒸气腔中的5S–5P跃迁频率。
• 互锁的克尔微腔实现了宽带、低噪声的片上光梳生成。
• 整个光学钟架构完全集成于单块硅芯片上，显著减小了尺寸和复杂度。
• 结果验证了具备实验室级性能的芯片级、便携式光学原子钟的可行性。