[论文解读] Synchronous mode-locked laser network with 20$^{th}$ decimal timing precision

Kemal Şafak, Ming Xin+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 26, 2017

Atomic and Subatomic Physics Research被引用 2

一句话总结

该论文提出了一种同步锁模激光器网络，在4.7公里光纤链路上实现了40小时内低于1 Hz的0.6 fs RMS定时漂移，展示了20位小数级别的定时精度。该系统采用全面的反馈回路，稳定了两个处于不同波长和重复频率的远程从属激光器，测得的环外定时抖动仅为1.3 fs RMS（频率范围1 Hz至1 MHz），揭示了光纤链路中脉冲定时抖动的量子极限标准。

ABSTRACT

Filming chemical reactions or atoms in motion is one of the greatest scientific dreams yet to be accomplished which requires sub-atomic spatiotemporal resolution. Newly emerging X-ray free electron lasers and laser-based attoscience centers are the most likely candidates to succeed first thanks to their angstrom-level radiation. To provide the necessary temporal resolution, these facilities must be able to synchronize numerous mode-locked lasers with ultra-high precision across kilometer-distances. Here, we report a synchronous mode-locked laser network incorporating two remote slave lasers at different central wavelengths and repetition rates over 4.7-km distance. The network exhibits a record-low timing drift of 0.6 fs RMS below 1 Hz over 40 h reaching the 20$^{th}$ decimal uncertainty in ~8000-s averaging time. Short-term stability measurements show an out-of-loop timing jitter of only 1.3 fs RMS integrated from 1 Hz to 1 MHz. We also present a comprehensive noise analysis of the network considering both quantum noise and technical noise sources. For the first time in literature, we reveal the standard quantum limit for the timing jitter acquired by optical pulses when traveling in fiber links. Our comprehensive feedback loop analysis reveals nine technical noise sources out of which the slave lasers inherent jitter dominates with 1.26 fs RMS. This suggests that timing precision of the network is not limited by our synchronization scheme and could be improved even further by developing lower noise mode-locked lasers.

研究动机与目标

• 通过在激光同步中实现极高的定时精度，实现对超快化学和原子过程的亚原子时空分辨率成像。
• 解决在千米量级距离上对多个远程锁模激光器进行亚飞秒稳定性同步的挑战。
• 识别并量化限制光纤激光网络定时精度的主要噪声源。
• 通过实验揭示光学脉冲通过光纤链路传输时定时抖动的标准量子极限。
• 证明当前同步方案并非限制因素，而真正限制性能的是从属激光器的固有抖动。

提出的方法

• 构建一个主从激光器网络，包含两个在不同中心波长和重复频率下运行的远程从属激光器。
• 采用全面的反馈回路稳定4.7公里光纤链路中的定时，最大限度减少漂移和抖动。
• 采用详细的噪声分析框架，将系统中的量子噪声与技术噪声源分离。
• 应用完整的环路传递函数分析，对九种不同的技术噪声贡献进行建模与量化。
• 通过同步脉冲之间的互相关技术测量环外定时抖动。
• 基于理论和实验数据推导出光纤链路中定时抖动的标准量子极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在同步激光器网络中，光学脉冲通过光纤链路传输时，定时抖动的根本极限是什么？
• RQ2 在长距离、多激光器同步系统中，哪种噪声源主导了定时不稳定？
• RQ3 基于反馈的同步方案能否在千米距离上实现亚飞秒稳定性？
• RQ4 定时精度如何随平均时间变化？可实现的不确定度水平是什么？
• RQ5 网络性能在多大程度上受限于同步方案，而非从属激光器的固有特性？

主要发现

• 该网络在40小时内实现了低于1 Hz的0.6 fs RMS定时漂移，对应约8000秒平均时间下的20位小数级不确定度。
• 当从1 Hz到1 MHz积分时，测得的环外定时抖动仅为1.3 fs RMS，表现出卓越的短期稳定性。
• 全面的噪声分析识别出九种技术噪声源，其中从属激光器的固有抖动是主导贡献者，为1.26 fs RMS。
• 该研究首次在文献中揭示了光纤基光学脉冲传输中定时抖动的标准量子极限。
• 结果表明，当前同步方案并非限制因素，通过降低锁模激光器的固有抖动可实现进一步性能提升。
• 该系统证明，只要使用低噪声激光器，现有反馈架构即可实现千米距离上的亚飞秒同步。