Mae crwybrau amledd optegol (OFCs) yn ffynonellau golau laser manwl gywir y mae eu sbectra yn cynnwys cyfres o linellau amledd â bylchau cyfartal sy'n debyg i ddannedd crib. Fel prennau mesur hynod gywir ar gyfer mesur amleddau optegol, mae OFCs wedi chwyldroi mesuriadau manwl a mesureg ers eu datblygiad ar ddiwedd y 1990au. Un o'r galluoedd pwysicaf a alluogir gan OFCs yw trosglwyddo purdeb sbectrol. Mae'n cyfeirio at allu OFC i drosglwyddo'r purdeb sbectrol -sefydlogrwydd amledd a newidth - cul un ffynhonnell golau i un arall sy'n gweithredu ar donfedd wahanol.
Mewn gweithrediad sŵn isel iawn (patent gan Menlo Systems1), mae trosglwyddo purdeb sbectrol yn cadw nodweddion systemau cyfeirio optegol hynod sefydlog ar draws y sbectrwm crwybr cyfan, gan gynnwys allbynnau wedi'u trosi amledd sy'n rhychwantu'r rhanbarthau sbectrol isgoch sy'n weladwy i'r canol.
Cyflwyniad i grwybrau amledd optegol
Mae OFC yn ffynhonnell laser y mae ei sbectrwm optegol yn cynnwys cyfres o linellau amledd arwahanol sydd â bylchau cyfartal. Yn y parth amlder, mae'r strwythur rheolaidd hwn yn debyg i ddannedd crib. Mae OFCs yn cael eu cynhyrchu gan amlaf gan ddefnyddio laserau ultrabyr, wedi'u modelu (gweler Ffig. 1, top). Mae modelocking yn dechneg lle mae moddau hydredol ceudod laser yn cael eu gorfodi i osgiliad gyda pherthynas cyfnod sefydlog. O ganlyniad, mae'r laser yn allyrru cyfres o gorbys optegol uwch-fyr. Mae'r pwls cylchredol yn lluosogi yn ôl ac ymlaen y tu mewn i'r cyseinydd laser ar gyfradd ailadroddfcynrychiolydd, sy'n cael ei bennu gan y rownd ceudod-amser baglu. Yn ystod pob taith gron, mae ychydig bach o egni pwls yn cael ei dynnu trwy ddrych rhannol drosglwyddadwy i ffurfio'r allbwn laser. Yn y parth amser, mae'r allbwn hwn yn ymddangos fel trên pwls rheolaidd ac yn y parth amledd, mae'n cyfateb i grib o linellau sbectrol cyfochrog (gweler Ffig. 1, gwaelod).
Oherwydd gwasgariad yn y ceudod laser, mae cyflymder grŵp yr amlen pwls fel arfer yn wahanol i gyflymder cam y cludwr optegol. Mae'r diffyg cyfatebiaeth hwn yn arwain at newid graddolΔφo'r don cludwr mewn perthynas â'r amlen curiad o un daith gron i'r nesaf. Cyfeirir at y ffenomen hon fel gwrthbwyso cyfnod amlen cludwr (gweler Ffig. 1, chwith isaf).
Yn ddelfrydol, yn absenoldeb sŵn ac aflonyddwch allanol, mae'r berthynas Fourier rhwng y parthau amser ac amlder yn awgrymu bod trên pwls cyfnodol llym yn cyfateb i set ar wahân o foddau amledd â bylchau cyfartal (gweler Ffig. 1, ar y dde isaf).
Yn y parth amlder, y llinellau crib unigolνn yn cael eu rhoi gan:
vn = nfcynrychiolydd + fprifo,
llenyn fynegai modd cyfanrif,fcynrychiolyddyw cyfradd ailadrodd curiad y galon, afprifoyn dynodi -amledd gwrthbwyso amlen y cludwr. Mae'r sbectrwm crib cyfan yn cael ei symud ganfprifoo ganlyniad i'r cludydd curiad i-gludwr curiad-lithriad gwedd amlen, tra bod y bylchau rhwng llinellau cyfagos yn cael eu pennu gan yn unigfcynrychiolydd. Yn ymarferol, mae'r gyfradd ailadroddfcynrychiolyddac amledd gwrthbwyso amlen y cludwrfprifo rhaid ei fesur a'i sefydlogi'n weithredol er mwyn i laser pwls gwibgyswllt weithredu fel OFC. Mae mesuriad ofcynrychiolyddyn gymharol syml, oherwydd ei fod fel arfer yn gorwedd o fewn yr ystod o ddegau o megahertz i ychydig gigahertz a gellir ei ganfod gan ddefnyddio ffotodiod cyflym. Cyflawnir sefydlogi cyfradd ailadrodd trwy gau dolen adborth ar actuators sy'n caniatáu ar gyfer addasiadau hyd ceudod effeithiol. Mewn cyferbyniad, mesur a rheolifprifoyn llawer mwy cymhleth ac yn her fawr yn natblygiad cynnar technoleg OFC.
Gwahaniaeth-cribau amledd cynhyrchu (DFG).
Yn hanesyddol, un o'r strategaethau cynnar ar gyfer delio ag amledd gwrthbwyso amlen y cludwr oedd cynllun optegol sy'n osgoi'r angen i'w fesur a'i reoli'n benodol yn gyfan gwbl. Cyflawnir hyn gan ddefnyddio proses aflinol sefydlog cyfnod amlen gludo gynhenid o DFG i greu atgynhyrchiad o'r trên pwls laser gwreiddiol, sy'n arwain at gyfartaledd. fprifogwerth sero (<fprifo>= 0). Mewn OFCs o'r fath sy'n seiliedig ar DFG-, mae dwy gydran sbectrol wahanol sy'n tarddu o'r un osgiliadur laser (yn nodweddiadol ar ôl ehangu sbectrol mewn ffibrau aflinol) yn cael eu cymysgu mewn grisial aflinol. Mewn achos delfrydol, bydd y ddwy gydran yn cario'r un pethfprifo, felly bydd tynnu eu hamleddau yn canslo'r gwrthbwyso i gynhyrchu "offset{0}}OFC rhad ac am ddim." O safbwynt technegol yn unig, mae OFCs rhydd wrthbwyso yn cynnig symlrwydd trwy ofyn am un ddolen reoli yn unig: Eu hunig newidyn rheoli yw'r gyfradd ailadroddfcynrychiolydd. Ond daw hyn gyda chyfaddawd: Gwerth disgwyliad<fprifo>Nid yw=0 yn awgrymu absenoldeb cyffredinolfprifosŵn cyfnod. Mewn geiriau eraill, er bod y broses DFG yn dileu'r gwrthbwyso cyfartalog nid yw'n atal sŵn anghydlynol sy'n gysylltiedig âfprifo (gweler Ffig. 2). Yn lle hynny, dangoswyd bod OFCs sy'n seiliedig ar DFG-yn dangos graddfeydd cwadratig o sŵn cyfnod gydag amledd, a ddisgrifir gan fodel "tâp elastig" gyda phwynt gosod ar amledd sero.2
O edrych yn ôl, mae'n werth nodi bod y dechneg o gynhyrchu crwybrau amledd rhydd gwrthbwyso trwy DFG wedi'i patentio'n wreiddiol gan Gymdeithas Max Planck,3ac yn ystod dyddiau cynnar masnacheiddio'r OFC fe'i trwyddedwyd yn gyfan gwbl i Menlo Systems. Mae'r dull yn dal i fod yn fanteisiol iawn ar gyfer cynhyrchu amledd-ymbelydredd cribo ar donfeddi sydd fel arall yn anodd{-gyrchu, a dyna pam rydym yn parhau i ddefnyddio DFG i ymestyn cwmpas sbectrol i'r isgoch canol a thu hwnt.
Crwybrau amledd-hunangyfeiriol
Ar ôl datblygu'r systemau crib ymarferol cyntaf, bu datblygiadau mewn ffibrau optegol aflinol yn fodd i ganfod gwrthbwyso amlen cludwyr dibynadwy. Caniataodd y datblygiadau hyn ar gyfer cynhyrchu wythfed-crwybrau rhychwantu cymharol syml ac effeithlon; hy, crwybrau amledd sy'n gorchuddio ystod amledd o fwy na dwywaith eu hamledd isaf. Gydag wythfed-sbectra crib ar gael, gellir nodweddu amledd gwrthbwyso amlen y cludwr gan ddefnyddio dull hunangyfeirio syml. Mae'r dull hwn yn dibynnu ar interferomedr sy'n heterodynio dwy ran benodol o'r sbectrwm crib: Modd crib gyda mynegainar ben coch y sbectrwm
vn = nfcynrychiolydd + fprifo
yn cael ei anfon trwy grisial aflinol i gynhyrchu ei ail harmonig
2vn = 2(nfcynrychiolydd + fprifo),
sy'n cael ei symud gan ddwywaith yr amlder gwrthbwyso. Yna caiff y signal dyblu amledd hwn ei guro yn erbyn modd crib gyda mynegai 2n
v2n = 2nfcynrychiolydd + fprifo.
Mae'r nodyn curiad rhwng y ddau amledd hyn yn datgelu amledd gwrthbwyso amlen y cludwr yn uniongyrchol:
2vn − v2n = fprifo.
Nid yw'r dull "f–2f" hwn yn ddim llai na chyflawniad tirnod mewn technoleg OFC oherwydd ei fod yn galluogi mesur yn uniongyrchol amledd gwrthbwyso amlen y cludwr. Yn benodol, mae'n cefnogi gweithredu actuators rheoli gwasgariad gweithredol pwrpasol y tu mewn i'r ceudod laser ar gyfer sefydlogi sŵn ultralow a rheolifprifo(gweler Ffig. 3).
Trosglwyddo purdeb sbectrol
Mae rheolaeth effeithiol a sefydlogi graddau rhyddid crib amledd optegol-ei gyfradd ailadrodd yn ogystal â'i gludwr-amledd gwrthbwyso amlen-yn hanfodol ar gyfer cymwysiadau manwl gywir, sy'n gofyn am linewidths a sefydlogrwydd ymhell y tu hwnt i'r rhai y gellir eu cyflawni gydag unrhyw grib sy'n rhedeg am ddim (gweler Ffig. 4a). Y dull hollbresennol yw sefydlu clo optegol; hy, trosglwyddo'r purdeb sbectrol a ddarperir gan gyfeiriad optegol allanol i un o'r llinellau crib amledd. Mae systemau cyfeirio optegol Menlo Systems yn cyflawni is-hertz linenewidths wedi'u paru â sefydlogrwydd amledd rhagorol fel mater o drefn. Maent yn cyfuno un laser tonnau di-dor-ton (CW), ceudod cyfeirio optegol manwl uchel, a'r cydrannau cloi optegol ac electronig cysylltiedig-i gyd wedi'u peiriannu i ddarparu sensitifrwydd uchel a lled band cloi eang.4Dangosir y gosodiad confensiynol ar gyfer cloi OFC i gyfeirnod optegol allanol yn Ffigur 4b. Mae dolen rheoli cyfradd ailadrodd o'r fath yn dibynnu ar ganfod nodyn curiad rhwng y laser cyfeirio CW ac un o'r dannedd crib, gan fesur unrhyw drifft amlder, a chymhwyso adborth i actuator cyfradd ailadrodd y crib yn unol â hynny.
Yn hollbwysig, er bod y cynllun yn sefydlogi'r dant crib a ddewiswyd, dim ond y gofod rhwng y laser cyfeirio a'r llinell grib sengl honno sy'n wirioneddol sefydlog: Oherwydd bod yr actuator cyfradd ailadrodd yn darparu rheolaeth dros un gradd o ryddid yn unig, mae'n bennaf yn dylanwadu ar linellau crib yn agos at y pwynt cloi. O ganlyniad, mae'r sŵn llinellolth a chyfnod yn cynyddu gyda phellter sbectrol o'r cyfeirnod optegol. Mae'r cyfyngiad hwn yn gynhenid i'r cynllun cloi ac yn annibynnol ar bensaernïaeth y crwybr: Boed yn grib sy'n rhydd wrthbwyso neu'n grib hunangyfeiriol, o'i gloi trwy'r gyfradd ailadrodd yn unig, mae'n anochel y bydd y purdeb sbectrol yn diraddio po bellaf i ffwrdd y mae llinell grib o'r cyfeirnod optegol allanol, ac yn gadael y llinellau crwybr parth rhithwir RF yn ddi-ben-draw. Yn hytrach, fel y dangosir yn Ffigur 4c, mae trosglwyddo purdeb sbectrol ar draws y sbectrwm crib amledd cyfan yn gofyn am ategu'r actiwadydd cyfradd ailadrodd gydag ail ddolen reoli ar gyfer amledd gwrthbwyso amlen y cludwr (-fprifo). Ymwneud afprifodolen adborth yn cyflawni tair tasg hanfodol: Cloifprifoar werth a ddewiswyd, gan atal ei sŵn cydlynol ac anghydlynol, a lleihau sŵn cam ar draws yr holl ddannedd crib sy'n bell i'r cyfeirnod optegol allanol. Mae'rfprifomae actio yn gweithredu'n gymesur ar y sbectrwm yn yr ystyr mai ychydig iawn o ddylanwad sydd ganddo ar linellau crib ger y cyfeirnod optegol, ond mae'n effeithio'n gryf ar bob llinell grib ymhell oddi wrtho, gan gynnwys y rhai optegol yn ogystal â'r rhai rhithwir yn y parth RF. Yn gyffredinol, gellir ystyried y ddolen gyflym ar gyfer rheoli amledd gwrthbwyso amlen cludwr fel actiwadydd sy'n ategu actiwadydd cyfradd ailadrodd-ar gyfer cloi ail radd rhyddid OFC.
Mae dyluniad actio deuol Menlo Systems yn galluogi trosglwyddo purdeb sbectrol gwirioneddol-gan ddyblygu purdeb sbectrol cyfeiriad optegol yn union ar draws pob llinell grib unigol. Fel y dangosir yn Ffigur 5, mae'r purdeb sbectrol hefyd yn cael ei gynnal trwy gydol y camau trosi amledd, gan gynnwys newid amledd, ail-genhedlaeth harmonig, neu gynhyrchu uwch-gontinwwm.
Sbotolau cais: Clociau atomig optegol
Mae technoleg sŵn ultra-isel Menlo Systems yn darparu manwl gywirdeb ar draws y sbectrwm, gan hyrwyddo cymwysiadau sy'n gofyn am y perfformiad mwyaf manwl gywir, megis clociau atomig optegol. Yn y maes hwn, roedd ein OFCs wedi galluogi trosglwyddo cyfeiriadau optegol mwyaf manwl gywir y byd i glociau optegol mwyaf manwl gywir y byd, cymariaethau cloc trawsrywogaeth cywirdeb uchel, yn ogystal â lledaenu signalau cloc optegol pellter hir trwy rwydweithiau ffibr.
Trosglwyddo cywirdeb eithaf
Fel y dangosir yn Ffigur 6, mae ceudodau cyfeirio optegol ar gael yn fwyaf cyffredin yn y rhanbarth tonfedd IR agos (tua 1550 nm fel arfer), lle maent yn cynnig perfformiad rhagorol a dibynadwyedd uchel am gost gymharol isel. Nid yw'n syndod bod yr amrediad tonfedd hwn hefyd yn gartref i'r-ceudodau cyfeirio perfformio uchaf sydd ar gael ar hyn o bryd. Mewn gwaith arloesol gan gydweithrediad JILA (UDA) a Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; Sefydliad Metroleg Cenedlaethol yr Almaen), dangosodd ceudod silicon monocrystalline cryogenig gyda drychau silicon ansefydlogrwydd amledd ffracsiynol cyn ised â 4 × 10-17ar un eiliad, a llinellnewidth o 5 mHz.5
Mae'r datblygiad hwn yn welliant deg gwaith dros gyflwr-y-ceudodau gwydr ehangu ultralow celf (ULE) ar dymheredd ystafell. I drosglwyddo'r sefydlogrwydd a'r linewidth digymar hwn o donfedd gweithredol y ceudod ar 1542 nm i'r ystod sbectrol gweladwy ar gyfer cloc dellt optegol strontiwm torri record a weithredir ar 698 nm,6mae ymchwilwyr yn dibynnu ar dechnoleg crib amledd swn uwch-isel Menlo Systems (ar y cyd, fe wnaethom beiriannu'r ceudod cryogenig yn ein model ORS-ULN).
Cloc{0}}i-gymhariaeth cloc
Er bod y diffiniad presennol o'r ail sy'n dibynnu ar y trawsnewidiad gorfanwl 9.2-GHz o fewn caesiwm wedi sefyll am fwy na hanner canrif, mae ymdrech gydweithredol fyd-eang ar y gweill i ailddiffinio'r safon SI gan ddefnyddio trawsnewidiadau optegol ultranarrow y tu mewn i atomau oer ac ïonau wedi'u dal. Yn unol â hynny, mae clociau optegol yn seiliedig ar ystod eang o rywogaethau atomig yn cael eu harchwilio fel ymgeiswyr. Er mwyn gwerthuso'r safonau newydd hyn, rhaid cymharu clociau optegol amrywiol yn erbyn ei gilydd ar y lefel uchaf o drachywiredd (gweler Ffig. 6), ond gall eu hamleddau trawsnewid amrywio o gannoedd o terahertz ac mae'n gwneud unrhyw fesur electronig uniongyrchol yn amhosibl.
Fel y dengys gwaith diweddar, gellir pontio'r bylchau amlder hyn gyda'r manylder uchaf trwy drosglwyddo purdeb sbectrol: mae OFCs sŵn isel iawn Menlo Systems yn galluogi cymhariaeth cloc ar draws rhywogaethau yn y 10-18lefel a thu hwnt.7Yn y cyd-destun hwn, mae trosglwyddo sbectrol purdeb yn nodwedd sy'n gallu gwrthsefyll y dyfodol ar gyfer unrhyw labordy cloc optegol, oherwydd mae'n rhoi'r opsiwn i ymchwilio i rywogaethau atomig amrywiol tra'n dibynnu'n hyderus ar un ffynhonnell i gyfeirio at y crib amledd.
Lledaenu trwy rwydweithiau ffibr
Er bod arbrofion arloesol yn paratoi'r ffordd i glociau optegol y gellir eu cludo, mae clociau mwyaf manwl gywir heddiw yn parhau i fod yn osodiadau llonydd a weithredir gan dimau arbenigol mewn sefydliadau metroleg cenedlaethol, cyfleusterau ymchwil, a phrifysgolion. Ar y llaw arall, dim ond drwy'r band telathrebu y mae'n bosibl gwneud cymariaethau pellter hir a lledaenu signalau cloc uwchsad. Mae hyn yn gosod her i gymwysiadau rhwydwaith, oherwydd yn nodweddiadol ni all OFCs sydd wedi'u cloi i drawsnewidiad cloc optegol ryngwynebu'n hawdd â rhwydweithiau ffibr na galluogi dosbarthu signalau cyfeirio i wefannau eraill.
Mae'r her yn deillio o effaith gyfunol graddio sŵn cyfnod mewn crwybrau amledd confensiynol a'r bwlch sbectrol rhwng y trawsnewidiadau cloc optegol a'r band telathrebu. Fel y dangosir yn Ffigur 6, mae trosglwyddo purdeb sbectrol yn goresgyn y rhwystr hwn i alluogi cymariaethau cloc pellter hir yn ogystal â lledaenu cyfeiriadau tra sefydlog i labordai nad ydynt yn gweithredu eu clociau optegol eu hunain. Mae'r gallu hwn yn datgloi ystod eang o gyfleoedd gwyddonol cyffrous-gan gynnwys datblygiadau mewn technolegau cwantwm, geodesi manwl uchel, seryddiaeth, llywio, a phrofion ffiseg sylfaenol.8,9
