Os pentes de frequência óptica (OFCs, na sigla em inglês) são fontes precisas de luz laser cujos espectros consistem em uma série de-linhas de frequência igualmente espaçadas que lembram os dentes de um pente. Como réguas altamente precisas para medição de frequências ópticas, os OFCs revolucionaram a medição de precisão e a metrologia desde o seu desenvolvimento no final da década de 1990. Uma das capacidades mais importantes possibilitadas pelos OFCs é a transferência de pureza espectral. Refere-se à capacidade de um OFC de transferir a pureza espectral-estabilidade de frequência e largura de linha estreita-de uma fonte de luz para outra operando em um comprimento de onda diferente.
Em uma implementação de-ruído ultrabaixo (patenteada pela Menlo Systems1), a transferência de pureza espectral preserva as características dos sistemas de referência óptica ultraestáveis em todo o espectro do comb, incluindo saídas convertidas em frequência-que abrangem as regiões espectrais do visível até o infravermelho-médio.
Introdução aos pentes de frequência óptica
Um OFC é uma fonte de laser cujo espectro óptico consiste em uma série de linhas de frequência discretas-espaçadas igualmente. No domínio da frequência, esta estrutura regular lembra os dentes de um pente. Os OFCs são mais comumente gerados usando lasers ultracurtos e modelados (veja a Fig . 1, topo). Modelocking é uma técnica na qual os modos longitudinais de uma cavidade do laser são forçados a oscilar com uma relação de fase fixa. Consequentemente, o laser emite uma série de pulsos ópticos ultracurtos. O pulso circulante se propaga para frente e para trás dentro do ressonador laser a uma taxa de repetiçãofrepresentante, que é determinado pelo tempo de ida e volta-da cavidade. Durante cada viagem de ida e volta, uma pequena quantidade de energia de pulso é extraída através de um espelho parcialmente transmissivo para formar a saída do laser. No domínio do tempo, esta saída aparece como um trem de pulsos regular e no domínio da frequência corresponde a um pente de linhas espectrais equidistantes (ver Fig . 1, parte inferior).
Devido à dispersão na cavidade do laser, a velocidade de grupo do envelope de pulso geralmente difere da velocidade de fase da portadora óptica. Essa incompatibilidade resulta em uma mudança de fase gradualΔφda onda portadora em relação ao envelope de pulso de uma viagem de ida e volta para a próxima. Esse fenômeno é conhecido como deslocamento de fase do envelope-da portadora (veja a Fig. 1, canto inferior esquerdo).
Idealmente, na ausência de ruído e perturbações externas, a relação de Fourier entre os domínios do tempo e da frequência implica que um trem de pulsos estritamente periódico corresponde a um conjunto discreto de modos de frequência igualmente espaçados (ver Fig . 1, canto inferior direito).
No domínio da frequência, as linhas pente individuaisνn são dados por:
vn = nfrepresentante + fCEO,
ondené um índice de modo inteiro,frepresentanteé a taxa de repetição do pulso, efCEOdenota a frequência de deslocamento do envelope-da operadora. Todo o espectro do pente é alterado porfCEOcomo resultado do deslizamento de fase do envelope-de-portador de pulso-de pulso, enquanto o espaçamento entre linhas adjacentes é determinado exclusivamente porfrepresentante. Na prática, tanto a taxa de repetiçãofrepresentantee a frequência de deslocamento do envelope-da operadorafCEO deve ser medido e estabilizado ativamente para que um laser pulsado ultrarrápido funcione como um OFC. A medição defrepresentanteé comparativamente simples, porque normalmente fica na faixa de dezenas de megahertz a alguns gigahertz e pode ser detectado usando um fotodiodo rápido. A estabilização da taxa de repetição é obtida fechando um ciclo de feedback nos atuadores que permitem ajustes eficazes no comprimento da cavidade. Em contrapartida, medir e controlarfCEOé significativamente mais complexo e representou um grande desafio no desenvolvimento inicial da tecnologia OFC.
Diferença-combos de frequência de geração de frequência (DFG)
Historicamente, uma das primeiras estratégias para lidar com a frequência de deslocamento do envelope da portadora era um esquema óptico que evitava completamente a necessidade de sua medição e controle explícitos. Isto é conseguido usando o processo não linear inerentemente estável da fase do envelope da portadora do DFG para criar uma réplica do trem de pulso de laser original, o que resulta em uma média fCEOvalor de zero (<fCEO>= 0). Nesses OFCs-baseados em DFG, dois componentes espectrais distintos originados do mesmo oscilador de laser (normalmente após alargamento espectral em fibras não lineares) são misturados em um cristal não linear. Num caso ideal, ambos os componentes carregarão o mesmofCEO, portanto, subtrair suas frequências cancelará o deslocamento para produzir um "OFC-livre de deslocamento". Do ponto de vista puramente técnico, os OFCs-sem deslocamento oferecem simplicidade, exigindo apenas um loop de controle: sua única variável de controle é a taxa de repetiçãofrepresentante. Mas isso traz uma compensação: um valor esperado<fCEO>= 0 não implica a ausência geral defCEOruído de fase. Em outras palavras, embora o processo DFG remova o deslocamento médio, ele não suprime o ruído incoerente associado aofCEO (veja a Figura . 2). Em vez disso, foi demonstrado que OFCs baseados em DFG- exibem escala quadrática de ruído de fase com frequência, descrita por um modelo de "fita elástica" com um ponto fixo em frequência zero.2
Em retrospecto, vale a pena notar que a técnica de geração de pentes de frequência-livres de offset via DFG foi originalmente patenteada pela Max Planck Society,3e durante os primeiros dias de comercialização do OFC foi licenciado exclusivamente para Menlo Systems. O método ainda é altamente vantajoso para a geração de radiação-comb de frequência em comprimentos de onda de-acesso-de outra forma difíceis, e é por isso que continuamos a usar DFG para estender a cobertura espectral até o infravermelho-médio e além.
Combinações de frequência-autorreferenciadas
Após o desenvolvimento dos primeiros sistemas de pente práticos, os avanços nas fibras ópticas não lineares permitiram a detecção confiável do deslocamento do envelope da portadora.-. Esses desenvolvimentos permitiram a geração relativamente simples e eficiente de pentes de extensão de oitava-; isto é, pentes de frequência cobrindo uma faixa de frequência superior ao dobro da frequência mais baixa. Com espectros de pente de{6}}oitava disponíveis, a frequência de deslocamento do envelope-da portadora pode ser caracterizada usando um método de auto-referência-direto. Este método depende de um interferômetro que heterodina duas porções distintas do espectro do pente: Um modo pente com índicenna extremidade vermelha do espectro
vn = nfrepresentante + fCEO
é enviado através de um cristal não linear para gerar seu segundo harmônico
2vn = 2(nfrepresentante + fCEO),
que é deslocado duas vezes a frequência de deslocamento. Esse sinal-de frequência duplicada é então comparado a um modo pente com índice 2n
v2n = 2nfrepresentante + fCEO.
A nota de batida entre essas duas frequências revela diretamente a frequência de deslocamento do envelope-da portadora:
2vn − v2n = fCEO.
Este método "f-2f" é nada menos que um marco na tecnologia OFC porque permite a medição direta da frequência de deslocamento do envelope-da portadora. Em particular, ele suporta a implementação de atuadores de controle de dispersão ativa dedicados dentro da cavidade do laser para estabilização de ruído ultrabaixo e controle defCEO(veja a Figura . 3).
Transferência de pureza espectral
O controle e a estabilização eficazes dos graus de liberdade de um pente de frequência óptica-sua taxa de repetição, bem como sua -frequência de deslocamento do envelope{2}}da portadora são cruciais para aplicações de precisão, que exigem larguras de linha e estabilidades muito além daquelas alcançáveis com qualquer pente-de execução livre (veja a Figura. 4a). A abordagem onipresente é estabelecer uma fechadura óptica; isto é, transferir a pureza espectral fornecida por uma referência óptica externa para uma das linhas pente de frequência. Os sistemas de referência óptica da Menlo Systems alcançam rotineiramente larguras de linha sub{9}}hertz combinadas com excelentes estabilidades de frequência. Eles combinam um laser de onda-contínua-de modo único (CW), uma cavidade de referência óptica de alta-refinamento e os componentes de travamento óptico e eletrônico associados-, todos projetados para fornecer alta sensibilidade e uma ampla largura de banda de travamento.4A configuração convencional para travar um OFC em uma referência óptica externa é ilustrada na Figura 4b. Tal circuito de controle de taxa de repetição depende da detecção de uma nota de batida entre o laser de referência CW e um dos dentes do pente, medindo qualquer desvio de frequência e aplicando feedback ao atuador de taxa de repetição do pente de acordo.
Crucialmente, embora o esquema estabilize o dente do pente escolhido, apenas o espaçamento entre o laser de referência e aquela única linha do pente é realmente fixo: como o atuador da taxa de repetição fornece controle sobre apenas um grau de liberdade, ele influencia principalmente as linhas do pente próximas ao ponto de travamento. Consequentemente, a largura de linha e o ruído de fase aumentam com a distância espectral da referência óptica. Essa limitação é inerente ao esquema de bloqueio e independente da arquitetura do comb: seja um pente-livre de deslocamento ou um pente-auto-referenciado, quando bloqueado apenas por meio da taxa de repetição, a pureza espectral inevitavelmente se degradará quanto mais longe uma linha de pente estiver da referência óptica externa e deixará as linhas de pente de domínio-de RF virtual essencialmente inalteradas. Em vez disso, conforme ilustrado na Figura 4c, a transferência de pureza espectral em todo o espectro pente de frequência requer a complementação do atuador de taxa de repetição com um segundo circuito de controle para a frequência de deslocamento do envelope-da portadora (fCEO). Envolver talfCEOo ciclo de feedback realiza três tarefas essenciais: BloquearfCEOem um valor escolhido, suprimindo seu ruído coerente e incoerente e reduzindo o ruído de fase em todos os dentes do pente que estão remotos à referência óptica externa. OfCEOa atuação atua simetricamente no espectro no sentido de que tem influência mínima nas linhas de pente próximas à referência óptica, mas afeta fortemente todas as linhas de pente distantes dela, incluindo tanto as ópticas quanto as virtuais no domínio-de RF. No geral, o loop rápido para controle de frequência de deslocamento do envelope da portadora-pode ser percebido como um atuador que complementa o atuador de taxa de repetição-para bloquear o segundo grau de liberdade de um OFC.
O design de atuação dupla da Menlo Systems permite a verdadeira transferência de pureza espectral,-replicando com precisão a pureza espectral de uma referência óptica em cada linha de pente. Conforme ilustrado na Figura 5, a pureza espectral também é mantida durante os estágios de conversão de frequência, incluindo mudança de frequência, geração de segundo-harmônico ou geração de supercontínuo.
Destaque de aplicação: Relógios atômicos ópticos
A tecnologia de ruído-ultrabaixo da Menlo Systems oferece precisão em todo o espectro, avançando em aplicações que exigem o desempenho mais preciso, como relógios atômicos ópticos. Nesse campo, nossos OFCs permitiram a transferência das referências ópticas mais precisas do mundo para os relógios ópticos mais precisos do mundo, comparações de relógios entre espécies-de alta{2}}precisão, bem como disseminação-de longa distância de sinais de relógio óptico por meio de redes de fibra.
Transferindo precisão máxima
Conforme ilustrado na Figura 6, as cavidades de referência óptica estão mais comumente disponíveis na região de comprimento de onda do infravermelho próximo (normalmente em torno de 1550 nm), onde oferecem excelente desempenho e alta confiabilidade a um custo comparativamente baixo. Não é novidade que essa faixa de comprimento de onda também hospeda as cavidades de referência de melhor{4}}desempenho atualmente disponíveis. Em um trabalho inovador realizado com a colaboração da JILA (EUA) e da Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; Instituto Nacional de Metrologia da Alemanha), uma cavidade criogênica de silício monocristalino com espelhos de silício demonstrou uma instabilidade de frequência fracionária tão baixa quanto 4 × 10-17em um segundo e uma largura de linha de 5 MHz.5
Esse desenvolvimento representa uma melhoria dez vezes maior em relação às cavidades-de{1}}última geração de vidro de expansão ultrabaixa (ULE) em temperatura ambiente. Para transferir essa estabilidade e largura de linha incomparáveis do comprimento de onda operacional da cavidade em 1542 nm para a faixa espectral visível para um relógio de rede óptica de estrôncio recordista-operado em 698 nm,6os pesquisadores contam com a tecnologia de pente de frequência de ruído ultrabaixa-da Menlo Systems (em paralelo, projetamos a cavidade criogênica em nosso modelo ORS-ULN).
Comparação-a{1}}de relógio
Embora a definição actual do segundo que se baseia na transição hiperfina de 9,2 GHz dentro do césio já exista há mais de meio século, está em curso um esforço colaborativo global para redefinir o padrão SI utilizando transições ópticas ultraestreitas dentro de átomos frios e iões presos. Conseqüentemente, relógios ópticos baseados em uma ampla gama de espécies atômicas estão sendo explorados como candidatos. Para avaliar esses novos padrões, vários relógios ópticos devem ser comparados entre si com o mais alto nível de precisão (ver Fig. 6), mas suas frequências de transição podem diferir em centenas de terahertz e isso torna impossível qualquer medição eletrônica direta.
Como demonstra um trabalho recente, essas lacunas de frequência podem ser superadas com a mais alta precisão por meio da transferência de pureza espectral: os OFCs de-ruído ultrabaixo da Menlo Systems permitem a comparação-de relógio entre espécies nos 10-18nível e além.7Nesse contexto, a transferência de pureza-espectral é um recurso-à prova de futuro, necessário para qualquer laboratório de relógio óptico, porque oferece a opção de investigar várias espécies atômicas e, ao mesmo tempo, confiar em uma única fonte para referenciar o pente de frequência.
Disseminação via redes de fibra
Embora experimentos pioneiros estejam abrindo caminho para relógios ópticos transportáveis, os relógios mais precisos de hoje continuam sendo instalações estacionárias operadas por equipes de especialistas em institutos nacionais de metrologia, centros de pesquisa e universidades. Por outro lado, comparações-de longa distância e disseminação de sinais de relógio ultraestáveis são viáveis apenas através da banda de telecomunicações. Isto impõe um desafio para aplicações de rede, porque os OFCs bloqueados para uma transição de relógio óptico normalmente não conseguem interagir prontamente com redes de fibra ou permitir a distribuição de sinais de referência para outros locais.
O desafio deriva do efeito combinado da escala de ruído de fase em pentes de frequência convencionais e da lacuna espectral entre as transições do relógio óptico e a banda de telecomunicações. Conforme ilustrado na Figura 6, a transferência de pureza espectral supera essa barreira para permitir comparações de relógios de longa-distância, bem como a disseminação de referências ultraestáveis para laboratórios que não operam seus próprios relógios ópticos. Esse recurso abre uma ampla gama de oportunidades científicas interessantes,-incluindo avanços em tecnologias quânticas, geodésia de alta-precisão, astronomia, navegação e testes de física fundamental.8,9
