מסרקות תדר אופטיות: העברת טוהר ספקטרלי

מסרקות תדר אופטיות (OFCs) הם מקורות אור לייזר מדויקים שהספקטרום שלהם מורכב מסדרה של קווי תדר שווים -ברווחים שדומים לשיניים של מסרק. כסרגלים מדויקים ביותר למדידת תדרים אופטיים, OFCs חוללו מהפכה במדידה מדויקת ובמטרולוגיה מאז הפיתוח שלהם בסוף שנות ה-90. אחת היכולות החשובות ביותר שמאפשרות OFCs היא העברת טוהר ספקטרלי. זה מתייחס ליכולת של OFC להעביר את הטוהר הספקטרלי-יציבות התדר ורוחב הקו הצר- של מקור אור אחד לאחר הפועל באורך גל שונה.

ביישום רעש-נמוך במיוחד (מוגן בפטנט על ידי Menlo Systems¹), העברת טוהר ספקטרלי משמרת את המאפיינים של מערכות ייחוס אופטיות אולטרה-יציבות על פני כל ספקטרום המסרק, כולל תדרים-מומרים פלטים המשתרעים על פני האזורים הספקטרליים של אינפרא אדום גלוי לאמצע-.

מבוא למסרקות תדר אופטיות

OFC הוא מקור לייזר שהספקטרום האופטי שלו מורכב מסדרה של קווי תדר בדידים,-בשווה. בתחום התדר, המבנה הרגיל הזה דומה לשיניים של מסרק. OFCs נוצרים לרוב באמצעות לייזרים קצרים במיוחד עם דגמים (ראה איור . 1, למעלה). Modelocking היא טכניקה שבה מצבי האורך של חלל לייזר נאלצים להתנודד עם יחס פאזה קבוע. כתוצאה מכך, הלייזר פולט סדרה של פולסים אופטיים קצרים במיוחד. הדופק במחזור מתפשט קדימה ואחורה בתוך מהוד הלייזר בקצב חזרותf_נציג, שנקבע על פי זמן הנסיעה הלוך ושוב-של החלל. במהלך כל נסיעה הלוך ושוב, כמות קטנה של אנרגיית פולסים מופקת באמצעות מראה שידור חלקית כדי ליצור את פלט הלייזר. בתחום הזמן, פלט זה מופיע כרכבת פולסים רגילה ובתחום התדר, הוא מתאים למסרק של קווים ספקטרליים במרחק שווה (ראה איור. 1, למטה).

עקב פיזור בחלל הלייזר, מהירות הקבוצה של מעטפת הפולס שונה בדרך כלל ממהירות הפאזה של הנשא האופטי. חוסר התאמה זה מביא לשינוי פאזה הדרגתיΔφשל גל הנשא ביחס למעטפת הדופק מסיבוב אחד למשנהו. תופעה זו מכונה היסט פאזה של -המעטפת (ראה איור. 1, שמאל למטה).

באופן אידיאלי, בהיעדר רעש והפרעות חיצוניות, מערכת היחסים של פורייה בין תחומי הזמן והתדר מרמזת שרכבת פולסים תקופתית לחלוטין מתאימה לקבוצה נפרדת של מצבי תדר ברווח שווה (ראה איור . 1, ימין למטה).

בתחום התדר, קווי המסרק הבודדיםν_n ניתנים על ידי:

v_n = nf_נציג + f_מנכ"ל,

אֵיפֹהnהוא אינדקס מצב של מספר שלם,f_נציגהוא קצב החזרה על הדופק, וf_מנכ"למציין את תדירות היסט המעטפת-של הספק. כל ספקטרום המסרק מוזז על ידיf_מנכ"לכתוצאה מהחלקת הפאזה של הדופק-ל-נושא הדופק-, בעוד שהרווח בין קווים סמוכים נקבע אך ורק על ידיf_נציג. בפועל, גם קצב החזרותf_נציגותדירות ההיסט של-מעטפת הספקf_מנכ"ל יש למדוד וגם לייצב באופן פעיל כדי שלייזר דופק מהיר במיוחד יתפקד כ-OFC. המדידה שלf_נציגהוא פשוט יחסית, מכיוון שהוא בדרך כלל נמצא בטווח של עשרות מגה-הרץ עד כמה גיגה-הרץ וניתן לזהות אותו באמצעות פוטודיודה מהירה. ייצוב קצב החזרות מושג על ידי סגירת לולאת משוב על מפעילים המאפשרים התאמות אפקטיביות של אורך החלל. לעומת זאת, מדידה ובקרהf_מנכ"למורכבת משמעותית ומהווה אתגר מרכזי בפיתוח המוקדם של טכנולוגיית OFC.

מסרקות תדרים של-הבדלים (DFG).

מבחינה היסטורית, אחת האסטרטגיות המוקדמות להתמודדות עם תדירות היסט המעטפת-של הספק הייתה סכימה אופטית שנמנעת כליל מהצורך במדידה ובקרה מפורשת שלה. זה מושג באמצעות התהליך הלא-ליניארי היציב מטבעו של מעטפת נושאת של DFG כדי ליצור העתק של רכבת פעימות הלייזר המקורית, מה שמביא לממוצע f_מנכ"לערך אפס (<f_מנכ"ל>= 0). ב-OFC מבוססי DFG- כאלה, שני רכיבים ספקטרליים נפרדים שמקורם מאותו מתנד לייזר (בדרך כלל לאחר הרחבה ספקטרלית בסיבים לא ליניאריים) מעורבבים בגביש לא ליניארי. במקרה אידיאלי שני הרכיבים יישאו אותו דברf_מנכ"ל, אז הפחתת התדרים שלהם תבטל את ההיסט כדי לייצר "אופסט-חופשי של OFC." מנקודת מבט טכנית גרידא, OFCs בחינם-מאופסט מציעים פשטות על ידי דרישת לולאת בקרה אחת בלבד: משתנה הבקרה היחיד שלהם הוא קצב החזרותf_נציג. אבל זה בא עם פשרה: ערך ציפייה<f_מנכ"ל>= 0 אינו מרמז על היעדר כללי שלf_מנכ"לרעש פאזה. במילים אחרות, בעוד שתהליך DFG מסיר את ההיסט הממוצע, הוא אינו מדכא רעש לא קוהרנטי הקשורf_מנכ"ל (ראה איור. 2). במקום זאת, OFCs מבוססי DFG- הוכחו כמציגים קנה מידה ריבועי של רעש פאזה עם תדר, המתואר על ידי מודל "קלטת אלסטית" עם נקודת קיבוע בתדר אפס.²

בדיעבד, ראוי לציין שהטכניקה של יצירת מסרקות תדרים אופסט-חופשיות באמצעות DFG נרשמה במקור על ידי חברת מקס פלאנק,³ובמהלך הימים הראשונים של מסחור OFC הוא קיבל רישיון בלעדי למנלו סיסטמס. השיטה עדיין מועילה מאוד לייצור קרינת-תדרים באורכי גל-שקשה-לגישה אחרת, וזו הסיבה שאנו ממשיכים להשתמש ב-DFG כדי להרחיב את הכיסוי הספקטרלי לאינפרא אדום-אמצעי ומעבר לו.

מסרקות תדרים עם הפניה-עצמית

לאחר הפיתוח של מערכות המסרק המעשיות הראשונות, התקדמות בסיבים אופטיים לא ליניאריים אפשרה זיהוי היסט המעטפת-מהימן של הספק. התפתחויות אלו אפשרו ליצור פשוט ויעיל יחסית של מסרקים המתפרשים על -אוקטבות; כלומר, מסרקות תדרים המכסות טווח תדרים של יותר מפי שניים מהתדר הנמוך ביותר שלהם. עם אוקטבות-מתפרשות על ספקטרום מסרק, ניתן לאפיין את תדירות היסט המעטפת-של הספק באמצעות שיטת הפניה עצמית פשוטה-. שיטה זו מסתמכת על אינטרפרומטר שמנטר שני חלקים נפרדים של ספקטרום המסרק: מצב מסרק עם אינדקסnבקצה האדום של הספקטרום

v_n = nf_נציג + f_מנכ"ל

נשלח דרך גביש לא ליניארי כדי ליצור ההרמוניה השנייה שלו

2v_n = 2(nf_נציג + f_מנכ"ל),

המוזז פי שניים מתדר ההיסט. האות המוכפל-תדר הזה מוכה אז נגד מצב מסרק עם אינדקס 2n

v_2n = 2nf_נציג + f_מנכ"ל.

תו הקצב בין שני התדרים הללו חושף ישירות את תדירות היסט המעטפת- של הספק:

2v_n − v_2n = f_מנכ"ל.

שיטת "f–2f" זו היא לא פחות מהישג מוביל בטכנולוגיית OFC מכיוון שהיא מאפשרת מדידה ישירה של תדר היסט המעטפת- של הספק. במיוחד, הוא תומך ביישום של מפעילי בקרת פיזור אקטיביים ייעודיים בתוך חלל הלייזר לייצוב רעש נמוך במיוחד ובקרה שלf_מנכ"ל(ראה איור. 3).

העברת טוהר ספקטרלי

שליטה וייצוב יעילים של דרגות החופש של מסרק תדרים אופטי-קצב החזרות שלו וכן תדירות היסט המעטפת-של הספק-הכרחיים עבור יישומים מדויקים, הדורשים רוחבי קו ויציבות הרבה מעבר לאלו הניתנים להשגה בכל-ריצה חופשית-. הגישה בכל מקום היא הקמת מנעול אופטי; כלומר, להעביר את הטוהר הספקטרלי הנמסר על ידי התייחסות אופטית חיצונית לאחד מקווי מסרק התדר. מערכות ההתייחסות האופטיות של Menlo Systems משיגות באופן שגרתי רוחבי קו תת--הרץ בשילוב עם יציבות תדר מצוינת. הם משלבים לייזר -מתמשך-גל אחד (CW), חלל ייחוס אופטי-עדין גבוה, ורכיבי הנעילה האופטיים והאלקטרונים הקשורים-כל מהונדסים לספק רגישות גבוהה ורוחב פס נעילה רחב.⁴ההגדרה המקובלת לנעילה של OFC להתייחסות אופטית חיצונית מומחשת באיור 4ב. לולאת בקרת קצב חזרות כזו מסתמכת על זיהוי תו פעימה בין לייזר הייחוס CW לבין אחת משיני המסרק, מדידת כל סחיפה בתדר, והחלת משוב על מפעיל קצב החזרות של המסרק בהתאם.

באופן מכריע, למרות שהתכנית מייצבת את שן המסרק שנבחרה, רק המרווח בין לייזר הייחוס לקו המסרק הבודד הזה קבוע באמת: מכיוון שמפעיל קצב החזרות מספק שליטה על דרגת חופש אחת בלבד, הוא משפיע בעיקר על קווי המסרק הקרובים לנקודת הנעילה. כתוצאה מכך, רוחב הקו ורעש הפאזה גדלים עם המרחק הספקטרלי מהייחוס האופטי. מגבלה זו טבועה בסכימת הנעילה ואינה תלויה בארכיטקטורת המסרק: בין אם מסרק-חופשי או-התייחסות עצמית, כאשר ננעל באמצעות קצב החזרות בלבד, הטוהר הספקטרלי ידרדר בהכרח ככל שקו המסרק מרוחק יותר מההתייחסות האופטית החיצונית{4}, ותשאיר את הקו הווירטואלי ללא השפעה{4}. במקום זאת, כפי שמודגם באיור 4c, העברת טוהר ספקטרלי על פני כל ספקטרום מסרק התדרים דורשת השלמה של מפעיל קצב החזרות עם לולאת בקרה שנייה עבור תדר היסט מעטפת הספק (-)f_מנכ"ל). מרתק כזהf_מנכ"ללולאת משוב מבצעת שלוש משימות חיוניות: נעילהf_מנכ"לבערך שנבחר, דיכוי הרעש הקוהרנטי והלא קוהרנטי שלו, והפחתת רעשי הפאזה על פני כל שיני המסרק המרוחקות מההתייחסות האופטית החיצונית. הf_מנכ"לההפעלה פועלת באופן סימטרי על הספקטרום במובן זה שיש לה השפעה מינימלית על קווי מסרק ליד הפניה האופטית, אך משפיעה מאוד על כל קווי המסרק הרחוקים ממנו, כולל גם האופטיים וגם הווירטואליים שבתחום ה-RF-. באופן כללי, הלולאה המהירה עבור בקרת תדר היסט המעטפת-יכולה להיתפס כמפעיל המשלים את מפעיל קצב החזרות-לנעילת דרגת החופש השנייה של OFC.

עיצוב ההפעלה הכפול של Menlo Systems מאפשר העברת טוהר ספקטרלי אמיתי-משכפל במדויק את הטוהר הספקטרלי של התייחסות אופטית על פני כל קו מסרק בודד. כפי שמוצג באיור 5, הטוהר הספקטרלי נשמר גם לאורך שלבי המרת התדר, כולל הסטת תדר, יצירת הרמונית- שניה או יצירת רצף על.

זרקור יישום: שעונים אטומיים אופטיים

טכנולוגיית הרעש האולטרה-נמוך-של Menlo Systems מספקת דיוק על פני הספקטרום, ומקדמת יישומים הדורשים את הביצועים המדויקים ביותר, כגון שעונים אטומיים אופטיים. בתחום זה, ה-OFCs שלנו אפשרו העברה של ההפניות האופטיות המדויקות ביותר בעולם לשעונים האופטיים המדויקים ביותר בעולם, השוואות-דיוק גבוה של שעונים חוצי-מינים, כמו גם הפצה-ארוכה של אותות שעון אופטי דרך רשתות סיבים.

העברת דיוק אולטימטיבי

כפי שמתואר באיור 6, חללי ייחוס אופטיים זמינים לרוב באזור אורך הגל הקרוב-(בדרך כלל סביב 1550 ננומטר), שם הם מציעים ביצועים מצוינים ואמינות גבוהה בעלות נמוכה יחסית. באופן לא מפתיע, טווח אורכי גל זה מארח גם את חללי ההתייחסות בעלי הביצועים הגבוהים ביותר- הזמינים כיום. בעבודה פורצת דרך של שיתוף פעולה של JILA (ארה"ב) ו-Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; המכון הלאומי למטרולוגיה של גרמניה), חלל סיליקון מונו-גבישי קריוגני עם מראות סיליקון הפגין חוסר יציבות בתדר שבר נמוך כמו 4 × 10^-17בשנייה אחת, ורוחב קו של 5 מגהרץ.⁵

פיתוח זה הוא שיפור של פי עשרה בהשוואה-של--חללי הזכוכית בהרחבה אולטרה-נמוכה (ULE) בטמפרטורת החדר. כדי להעביר את היציבות ורוחב הקו ללא תחרות מאורך הגל התפעולי של החלל ב-1542 ננומטר לטווח הספקטרלי הנראה לעין עבור שעון סריג אופטי סטרונציום שובר שיא- המופעל ב-698 ננומטר,⁶חוקרים מסתמכים על טכנולוגיית מסרק התדרים האולטרה-נמוכים-של Menlo Systems (במקביל, הנדסנו את החלל הקריוגני לתוך הדגם ORS-ULN שלנו).

השוואת שעון-ל-שעון

למרות שההגדרה הנוכחית של השני שמסתמכת על המעבר היפר-דק של 9.2 גיגה-הרץ בתוך צסיום עמדה כבר יותר מחצי מאה, מאמץ שיתופי עולמי מתנהל כדי להגדיר מחדש את תקן SI באמצעות מעברים אופטיים צרים במיוחד בתוך אטומים קרים ויונים כלואים. בהתאם לכך, שעונים אופטיים המבוססים על מגוון רחב של מינים אטומיים נחקרים כמועמדים. כדי להעריך את הסטנדרטים החדשים הללו, יש להשוות בין שעונים אופטיים שונים זה לזה ברמת הדיוק הגבוהה ביותר (ראה איור. 6), אך תדרי המעבר שלהם יכולים להיות שונים במאות טרה-הרץ וזה הופך כל מדידה אלקטרונית ישירה לבלתי אפשרית.

כפי שעבודה אחרונה מוכיחה, ניתן לגשר על פערי התדרים הללו בדיוק הגבוה ביותר באמצעות העברת טוהר ספקטרלי: OFCs אולטרה-נמוכים של רעש- של Menlo Systems מאפשרים השוואת שעון חוצה-מינים ב-10^-18ברמה ומעלה.⁷בהקשר זה, העברת טוהר-ספקטרלית היא תכונה-עתידית הנדרשת עבור כל מעבדת שעון אופטי, מכיוון שהיא מספקת את האפשרות לחקור מינים אטומיים שונים תוך הסתמכות בביטחון על מקור יחיד להפניה למסרק התדרים.

הפצה באמצעות רשתות סיבים

בעוד ניסויים חלוציים סוללים את הדרך לשעונים אופטיים ניידים, השעונים המדויקים ביותר של ימינו נותרו מתקנים נייחים המופעלים על ידי צוותי מומחים במכוני מטרולוגיה לאומיים, מתקני מחקר ואוניברסיטאות. מצד שני, השוואות למרחקים-ארוכים והפצה של אותות שעון אולטרה-יציבים אפשריים רק דרך פס הטלקום. זה מציב אתגר עבור יישומי רשת, מכיוון ש-OFCs הנעולים למעבר שעון אופטי בדרך כלל אינם יכולים להתממשק בקלות עם רשתות סיבים או לאפשר הפצה של אותות ייחוס לאתרים אחרים.

האתגר נובע מהאפקט המשולב של קנה המידה של רעשי פאזה במסרקות תדרים קונבנציונליות ומהפער הספקטרלי בין מעברי השעון האופטי לפס הטלקום. כפי שמוצג באיור 6, העברת טוהר ספקטרלית מתגברת על מחסום זה כדי לאפשר השוואות בין שעונים למרחקים ארוכים, כמו גם הפצה של הפניות אולטרה-יציבות למעבדות שאינן מפעילות את השעונים האופטיים שלהן. יכולת זו פותחת מגוון רחב של הזדמנויות מדעיות מרגשות-כולל התקדמות בטכנולוגיות קוונטיות, גיאודזיה-בדיוק גבוה, אסטרונומיה, ניווט ומבחנים של פיזיקה בסיסית.^8,9