Peignes de fréquence optique : transfert de pureté spectrale

Les peignes de fréquence optique (OFC) sont des sources de lumière laser précises dont le spectre est constitué d'une série de lignes de fréquence équi-espacées qui ressemblent aux dents d'un peigne. En tant que règles très précises pour mesurer les fréquences optiques, les OFC ont révolutionné la mesure de précision et la métrologie depuis leur développement à la fin des années 1990. L’une des capacités les plus importantes permises par les OFC est le transfert de pureté spectrale. Il fait référence à la capacité d'un OFC à transférer la pureté spectrale-la stabilité de fréquence et la largeur de raie étroite-d'une source de lumière à une autre fonctionnant à une longueur d'onde différente.

Dans une mise en œuvre à très faible-bruit (brevetée par Menlo Systems)¹), le transfert de pureté spectrale préserve les caractéristiques des systèmes de référence optiques ultrastables sur l'ensemble du spectre du peigne, y compris les sorties converties en fréquence-s'étendant du visible au moyen-régions spectrales infrarouges.

Introduction aux peignes de fréquence optique

Un OFC est une source laser dont le spectre optique est constitué d'une série de lignes de fréquence discrètes, également-espacées. Dans le domaine fréquentiel, cette structure régulière ressemble aux dents d’un peigne. Les OFC sont le plus souvent générés à l'aide de lasers ultra-courts à mode verrouillé (voir Fig . 1, en haut). Le modelocking est une technique dans laquelle les modes longitudinaux d'une cavité laser sont forcés d'osciller avec une relation de phase fixe. Par conséquent, le laser émet une série d’impulsions optiques ultracourtes. L'impulsion en circulation se propage d'avant en arrière à l'intérieur du résonateur laser à un taux de répétitionf_{représentant}, qui est déterminé par le temps d'aller-retour-de la cavité. Au cours de chaque aller-retour, une petite quantité d’énergie d’impulsion est extraite via un miroir partiellement transmissif pour former la sortie laser. Dans le domaine temporel, cette sortie apparaît comme un train d'impulsions régulier et dans le domaine fréquentiel, elle correspond à un peigne de raies spectrales équidistantes (voir Fig . 1, en bas).

En raison de la dispersion dans la cavité laser, la vitesse de groupe de l'enveloppe d'impulsion diffère généralement de la vitesse de phase du porteur optique. Ce décalage se traduit par un déphasage progressifΔφde l'onde porteuse par rapport à l'enveloppe d'impulsion d'un aller-retour au suivant. Ce phénomène est appelé décalage de phase d'enveloppe de porteuse- (voir Fig. 1, en bas à gauche).

Idéalement, en l'absence de bruit et de perturbations externes, la relation de Fourier entre les domaines temporel et fréquentiel implique qu'un train d'impulsions strictement périodique correspond à un ensemble discret de modes de fréquence également espacés (voir Fig . 1, en bas à droite).

Dans le domaine fréquentiel, les lignes de peigne individuellesν_n sont donnés par :

v_n = nf_{représentant} + f_PDG,

oùnest un indice en mode entier,f_{représentant}est le taux de répétition des impulsions, etf_PDGdésigne la fréquence de décalage d'enveloppe-de la porteuse. L'ensemble du spectre du peigne est décalé def_PDGen raison du glissement de phase de l'impulsion-à-porteuse d'impulsion-enveloppe, tandis que l'espacement entre les lignes adjacentes est uniquement déterminé parf_{représentant}. En pratique, tant le taux de redoublementf_{représentant}et la fréquence de décalage d'enveloppe-de la porteusef_PDG doit à la fois être mesuré et activement stabilisé pour qu’un laser pulsé ultrarapide fonctionne comme un OFC. La mesure def_{représentant}est relativement simple, car il se situe généralement dans la plage de dizaines de mégahertz à quelques gigahertz et peut être détecté à l'aide d'une photodiode rapide. La stabilisation du taux de répétition est obtenue en fermant une boucle de rétroaction sur les actionneurs qui permettent des ajustements efficaces de la longueur de la cavité. En revanche, mesurer et contrôlerf_PDGest nettement plus complexe et a représenté un défi majeur dans les premiers développements de la technologie OFC.

Différence-peignes de fréquence de génération de fréquence (DFG)

Historiquement, l'une des premières stratégies pour gérer la fréquence de décalage de l'enveloppe de la porteuse était un système optique qui évitait complètement la nécessité de sa mesure et de son contrôle explicites. Ceci est réalisé en utilisant le processus non linéaire intrinsèquement stable en phase d'enveloppe de porteur de DFG pour créer une réplique du train d'impulsions laser d'origine, ce qui donne une moyenne f_PDGvaleur de zéro (<f_PDG>= 0). Dans de tels OFC basés sur DFG-, deux composantes spectrales distinctes provenant du même oscillateur laser (généralement après un élargissement spectral dans des fibres non linéaires) sont mélangées dans un cristal non linéaire. Dans un cas idéal, les deux composants porteront le mêmef_PDG, donc soustraire leurs fréquences annulera le décalage pour produire un "OFC sans décalage". D'un point de vue purement technique, les OFC sans offset-offrent la simplicité en ne nécessitant qu'une seule boucle de contrôle : leur seule variable de contrôle est le taux de répétition.f_{représentant}. Mais cela s'accompagne d'un compromis : une valeur attendue<f_PDG>= 0 n'implique pas l'absence globale def_PDGbruit de phase. En d'autres termes, même si le processus DFG supprime le décalage moyen, il ne supprime pas le bruit incohérent associé àf_PDG (voir Fig . 2). Au lieu de cela, il a été démontré que les OFC basés sur DFG- présentent une mise à l'échelle quadratique du bruit de phase avec la fréquence, décrite par un modèle de « bande élastique » avec un point fixe à fréquence nulle.²

Rétrospectivement, il convient de noter que la technique de génération de peignes de fréquence sans décalage-via DFG a été initialement brevetée par la Max Planck Society,³et au début de la commercialisation de l'OFC, il était exclusivement concédé sous licence à Menlo Systems. La méthode reste très avantageuse pour la génération de rayonnements en peigne de fréquence-à des longueurs d'onde autrement difficiles-d'accès-, c'est pourquoi nous continuons à utiliser DFG pour étendre la couverture spectrale dans l'infrarouge moyen-et au-delà.

Peignes de fréquence auto-référencés-

Après le développement des premiers systèmes de peigne pratiques, les progrès des fibres optiques non linéaires ont permis une détection fiable du décalage d'enveloppe de la porteuse. Ces développements ont permis la génération relativement simple et efficace de peignes s'étendant sur une octave - ; c'est-à-dire des peignes de fréquence couvrant une gamme de fréquences de plus de deux fois leur fréquence la plus basse. Grâce aux spectres en peigne s'étendant sur l'octave-disponibles, la fréquence de décalage d'enveloppe de la porteuse-peut être caractérisée à l'aide d'une méthode d'auto-référencement simple-. Cette méthode s'appuie sur un interféromètre qui hétérodyne deux parties distinctes du spectre en peigne : Un mode peigne avec indicenà l'extrémité rouge du spectre

v_n = nf_{représentant} + f_PDG

est envoyé à travers un cristal non linéaire pour générer sa deuxième harmonique

2v_n = 2(nf_{représentant} + f_PDG),

qui est décalée de deux fois la fréquence de décalage. Ce signal doublé de fréquence-est ensuite battu contre un mode peigne d'indice 2n

v_2n = 2nf_{représentant} + f_PDG.

La note de battement entre ces deux fréquences révèle directement la fréquence de décalage d'enveloppe-de la porteuse :

2v_n − v_2n = f_PDG.

Cette méthode "f-2f" est tout simplement une réalisation historique dans la technologie OFC car elle permet de mesurer directement la fréquence de décalage d'enveloppe de la porteuse-. En particulier, il prend en charge la mise en œuvre d'actionneurs de contrôle de dispersion actifs dédiés à l'intérieur de la cavité laser pour une stabilisation à très faible bruit et un contrôle def_PDG(voir Fig . 3).

Transfert de pureté spectrale

Un contrôle et une stabilisation efficaces des degrés de liberté d'un peigne de fréquence optique -son taux de répétition ainsi que sa porteuse-fréquence de décalage d'enveloppe-sont cruciaux pour les applications de précision, qui nécessitent des largeurs de raie et des stabilités bien au-delà de celles réalisables avec n'importe quel peigne libre-(voir Fig. 4a). L’approche la plus répandue consiste à établir un verrou optique ; c'est-à-dire pour transférer la pureté spectrale délivrée par une référence optique externe à l'une des lignes de peigne de fréquence. Les systèmes de référence optiques de Menlo Systems atteignent régulièrement des largeurs de raie inférieures à -hertz associées à d'excellentes stabilités de fréquence. Ils combinent un laser à onde continue (CW) monomode-, une cavité de référence optique de haute-haute finesse et les composants de verrouillage optiques et électroniques associés-, tous conçus pour fournir une sensibilité élevée et une large bande passante de verrouillage.⁴La configuration conventionnelle pour verrouiller un OFC sur une référence optique externe est illustrée sur la figure 4b. Une telle boucle de contrôle du taux de répétition repose sur la détection d'une note de battement entre le laser de référence CW et l'une des dents du peigne, la mesure de toute dérive de fréquence et l'application d'une rétroaction à l'actionneur du taux de répétition du peigne en conséquence.

Surtout, bien que le système stabilise la dent de peigne choisie, seul l'espacement entre le laser de référence et cette ligne de peigne unique est véritablement fixe : étant donné que l'actionneur de fréquence de répétition ne contrôle qu'un seul degré de liberté, il influence principalement les lignes de peigne proches du point de verrouillage. Par conséquent, la largeur de raie et le bruit de phase augmentent avec la distance spectrale par rapport à la référence optique. Cette limitation est inhérente au schéma de verrouillage et indépendante de l'architecture du peigne : qu'il s'agisse d'un peigne sans décalage-ou d'un peigne auto-référencé-, lorsqu'il est verrouillé via le seul taux de répétition, la pureté spectrale se dégradera inévitablement à mesure qu'une ligne de peigne s'éloigne de la référence optique externe, et laissera les lignes de peigne virtuelles du domaine RF-essentiellement inchangées. Au lieu de cela, comme l'illustre la figure 4c, le transfert de pureté spectrale sur l'ensemble du spectre du peigne de fréquences nécessite de compléter l'actionneur de taux de répétition avec une deuxième boucle de contrôle pour la fréquence de décalage d'enveloppe de la porteuse - (f_PDG). Engager un telf_PDGla boucle de rétroaction accomplit trois tâches essentielles : Verrouillagef_PDGà une valeur choisie, supprimant son bruit cohérent et incohérent, et réduisant le bruit de phase sur toutes les dents de peigne qui sont éloignées de la référence optique externe. Lef_PDGl'actionnement agit symétriquement sur le spectre dans le sens où il a une influence minimale sur les lignes de peigne proches de la référence optique, mais affecte fortement toutes les lignes de peigne éloignées de celle-ci, y compris les lignes optiques ainsi que les lignes virtuelles dans le domaine RF-. Dans l'ensemble, la boucle rapide pour le contrôle de fréquence de décalage d'enveloppe de porteuse-peut être perçue comme un actionneur complétant l'actionneur de taux de répétition-pour verrouiller le deuxième degré de liberté d'un OFC.

La conception à double actionnement de Menlo Systems permet un véritable transfert de pureté spectrale - reproduisant avec précision la pureté spectrale d'une référence optique sur chaque ligne de peigne. Comme l'illustre la figure 5, la pureté spectrale est également maintenue tout au long des étapes de conversion de fréquence, y compris le décalage de fréquence, la génération de deuxième-harmonique ou la génération de supercontinuum.

Pleins feux sur les applications : horloges atomiques optiques

La technologie à très faible-bruit de Menlo Systems offre une précision sur tout le spectre, faisant progresser les applications qui nécessitent les performances les plus précises, telles que les horloges atomiques optiques. Dans ce domaine, nos OFC ont permis le transfert des références optiques les plus précises au monde vers les horloges optiques les plus précises au monde, des comparaisons d'horloges entre espèces-de haute-précision, ainsi que la diffusion à longue-distance de signaux d'horloge optiques via des réseaux de fibres.

Transférer une précision ultime

Comme l'illustre la figure 6, les cavités optiques de référence sont le plus souvent disponibles dans la région de longueur d'onde proche -IR (généralement autour de 1 550 nm), où elles offrent d'excellentes performances et une grande fiabilité à un coût relativement faible. Sans surprise, cette gamme de longueurs d'onde héberge également les-cavités de référence les plus performantes actuellement disponibles. Dans le cadre d'un travail révolutionnaire réalisé en collaboration entre JILA (États-Unis) et Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB ; l'Institut national de métrologie d'Allemagne), une cavité cryogénique en silicium monocristallin avec des miroirs en silicium a démontré une instabilité de fréquence fractionnaire aussi faible que 4 × 10.^-17à une seconde et une largeur de raie de 5 MHz.⁵

Ce développement représente une amélioration dix fois supérieure aux cavités en verre à dilatation ultrafaible (ULE) de pointe-à température ambiante. Pour transférer cette stabilité et cette largeur de raie inégalées de la longueur d'onde opérationnelle de la cavité à 1 542 nm vers la plage spectrale visible pour une horloge à réseau optique au strontium record-fonctionnant à 698 nm,⁶les chercheurs s'appuient sur la technologie de peigne à fréquence de bruit ultrafaible-de Menlo Systems (en parallèle, nous avons intégré la cavité cryogénique dans notre modèle ORS-ULN).

Comparaison d'horloge-à-horloge

Bien que la définition actuelle de la seconde, qui repose sur la transition hyperfine de 9,2 GHz au sein du césium, existe depuis plus d'un demi-siècle, un effort de collaboration mondial est en cours pour redéfinir la norme SI en utilisant des transitions optiques ultra-étroites à l'intérieur d'atomes froids et d'ions piégés. En conséquence, des horloges optiques basées sur un large éventail d’espèces atomiques sont à l’étude. Pour évaluer ces nouvelles normes, différentes horloges optiques doivent être comparées les unes aux autres avec le plus haut niveau de précision (voir Fig. 6), mais leurs fréquences de transition peuvent différer de centaines de térahertz, ce qui rend impossible toute mesure électronique directe.

Comme le démontrent des travaux récents, ces écarts de fréquence peuvent être comblés avec la plus grande précision via le transfert de pureté spectrale : les OFC à très faible-bruit de Menlo Systems permettent une comparaison d'horloge entre-espèces à 10 heures.^-18niveau et au-delà.⁷Dans ce contexte, le transfert de pureté spectrale-est une fonctionnalité à l'épreuve du temps-requise pour tout laboratoire d'horloge optique, car elle offre la possibilité d'étudier diverses espèces atomiques tout en s'appuyant en toute confiance sur une source unique pour référencer le peigne de fréquence.

Diffusion via les réseaux fibre

Alors que des expériences pionnières ouvrent la voie à des horloges optiques transportables, les horloges les plus précises d'aujourd'hui restent des installations fixes exploitées par des équipes d'experts dans les instituts nationaux de métrologie, les centres de recherche et les universités. D'un autre côté, les comparaisons longue distance-et la diffusion de signaux d'horloge ultrastables ne sont possibles que via la bande des télécommunications. Cela représente un défi pour les applications réseau, car les OFC verrouillés sur une transition d'horloge optique ne peuvent généralement pas s'interfacer facilement avec les réseaux fibre ou permettre la distribution de signaux de référence vers d'autres sites.

Le défi provient de l’effet combiné de la mise à l’échelle du bruit de phase dans les peignes de fréquences conventionnels et de l’écart spectral entre les transitions d’horloge optique et la bande de télécommunications. Comme l'illustre la figure 6, le transfert de pureté spectrale surmonte cet obstacle pour permettre à la fois des comparaisons d'horloges à longue distance - ainsi que la diffusion de références ultrastables aux laboratoires qui n'utilisent pas leurs propres horloges optiques. Cette capacité ouvre la voie à un large éventail d'opportunités scientifiques passionnantes-y compris les progrès des technologies quantiques, la géodésie de haute-précision, l'astronomie, la navigation et les tests de physique fondamentale.^8,9