شانه های فرکانس نوری (OFCs) منابع نور لیزری دقیقی هستند که طیف آنها از یک سری خطوط فرکانس با فاصله یکسان تشکیل شده است که شبیه دندانه های یک شانه است. به عنوان خط کش های بسیار دقیق برای اندازه گیری فرکانس های نوری، OFC ها از زمان توسعه خود در اواخر دهه 1990 انقلابی در اندازه گیری دقیق و مترولوژی ایجاد کرده اند. یکی از مهم ترین قابلیت های فعال شده توسط OFC ها، انتقال خلوص طیفی است. به توانایی یک OFC برای انتقال خلوص طیفی-پایداری فرکانس و پهنای خط باریک- یک منبع نور به دیگری که در طول موج متفاوتی کار میکند اشاره دارد.
در یک اجرای{0} صدای بسیار کم (پتنت شده توسط Menlo Systems1)، انتقال خلوص طیفی ویژگیهای سیستمهای مرجع نوری فوقپایدار را در کل طیف شانهای، از جمله خروجیهای تبدیلشده فرکانس-در نواحی طیف مرئی تا میانی-مادون قرمز، حفظ میکند.
مقدمه ای بر شانه های فرکانس نوری
OFC یک منبع لیزری است که طیف نوری آن از یک سری خطوط فرکانس مجزا با فاصله-یکسان تشکیل شده است. در حوزه فرکانس، این ساختار منظم شبیه دندانه های یک شانه است. OFC ها معمولاً با استفاده از لیزرهای فوق کوتاه و قفل دار تولید می شوند (شکل{3}}، بالا را ببینید). Modelocking تکنیکی است که در آن حالتهای طولی یک حفره لیزری با یک رابطه فاز ثابت مجبور به نوسان میشوند. در نتیجه، لیزر یک سری پالس های نوری فوق کوتاه منتشر می کند. پالس در گردش در داخل تشدید کننده لیزر با سرعت تکرار به جلو و عقب منتشر می شودfنماینده، که توسط زمان سفر رفت و برگشت حفره تعیین می شود. در طول هر سفر رفت و برگشت، مقدار کمی از انرژی پالس از طریق یک آینه نیمه انتقالی استخراج می شود تا خروجی لیزر را تشکیل دهد. در حوزه زمان، این خروجی به صورت یک قطار پالس منظم ظاهر میشود و در حوزه فرکانس، با یک شانه از خطوط طیفی همفاصله مطابقت دارد (شکل{3}}، پایین را ببینید).
به دلیل پراکندگی در حفره لیزر، سرعت گروهی پوشش پالس معمولاً با سرعت فاز حامل نوری متفاوت است. این عدم تطابق منجر به تغییر فاز تدریجی می شودΔφموج حامل با توجه به پوشش پالس از یک رفت و برگشت به بعدی. این پدیده به عنوان حامل-تغییر فاز پاکت نامه (نگاه کنید به شکل. 1، پایین سمت چپ) نامیده می شود.
در حالت ایدهآل، در غیاب نویز و اغتشاشات خارجی، رابطه فوریه بین حوزههای زمان و فرکانس نشان میدهد که یک قطار پالس کاملاً دورهای با مجموعهای از حالتهای فرکانس با فواصل مساوی مطابقت دارد (شکل{0}}، پایین سمت راست را ببینید).
در حوزه فرکانس، خطوط شانه فردیνn توسط:
vn = nfنماینده + fمدیر عامل,
کجاnیک شاخص حالت عدد صحیح است،fنمایندهنرخ تکرار نبض است وfمدیر عاملنشان دهنده فرکانس جابجایی پاکت نامه حامل-است. کل طیف شانه توسطfمدیر عاملدر نتیجه لغزش فاز-به-حامل پالس-پاکت، در حالی که فاصله بین خطوط مجاور صرفاً توسطfنماینده. در عمل، هر دو میزان تکرارfنمایندهو فرکانس-تغییر پاکت حاملfمدیر عامل برای اینکه لیزر پالسی فوق سریع به عنوان یک OFC عمل کند، باید هم اندازه گیری شود و هم به طور فعال تثبیت شود. اندازه گیری ازfنمایندهنسبتاً ساده است، زیرا معمولاً در محدوده دهها مگاهرتز تا چند گیگاهرتز قرار دارد و با استفاده از یک فتودیود سریع قابل تشخیص است. تثبیت نرخ تکرار با بستن یک حلقه بازخورد روی محرک ها که امکان تنظیم موثر طول حفره را فراهم می کند، به دست می آید. در مقابل، اندازه گیری و کنترلfمدیر عاملبه طور قابل توجهی پیچیده تر است و یک چالش بزرگ در توسعه اولیه فناوری OFC است.
فرکانس-تفاوت (DFG).
از نظر تاریخی، یکی از استراتژیهای اولیه برای برخورد با فرکانس جبران{0} پاکت حامل، یک طرح نوری بود که از نیاز به اندازهگیری و کنترل صریح آن اجتناب میکرد. این امر با استفاده از فرآیند غیرخطی پایدار فاز پوششی حامل ذاتاً DFG برای ایجاد یک کپی از قطار پالس لیزر اصلی به دست میآید که منجر به میانگین میشود. fمدیر عاملمقدار صفر (<fمدیر عامل>= 0). در چنین OFCهای مبتنی بر DFG، دو جزء طیفی مجزا که از یک نوسانگر لیزری منشا میگیرند (معمولاً پس از گسترش طیف در الیاف غیرخطی) در یک کریستال غیرخطی مخلوط میشوند. در یک حالت ایده آل هر دو جزء یکسان خواهند بودfمدیر عامل، بنابراین کم کردن فرکانس آنها باعث لغو آفست می شود تا "OFC رایگان{0} offset" ایجاد شود. از نقطه نظر فنی صرفاً، OFCهای رایگان{2}}اوفست با نیاز به تنها یک حلقه کنترل، سادگی را ارائه میکنند: تنها متغیر کنترلی آنها نرخ تکرار است.fنماینده. اما این با یک معاوضه همراه است: یک ارزش انتظار<fمدیر عامل>= 0 به معنای عدم وجود کلی نیستfمدیر عاملنویز فاز به عبارت دیگر، در حالی که فرآیند DFG میانگین افست را حذف می کند، نویز نامنسجم مرتبط با آن را سرکوب نمی کند.fمدیر عامل (شکل{0}} را ببینید). درعوض، نشان داده شده است که OFCهای مبتنی بر DFG- مقیاس درجه دوم نویز فاز با فرکانس را نشان میدهند که توسط یک مدل "نوار الاستیک" با نقطه ثابت در فرکانس صفر توصیف شده است.2
در نگاهی به گذشته، شایان ذکر است که تکنیک تولید افست{0}}شانههای فرکانس آزاد از طریق DFG در اصل توسط انجمن ماکس پلانک ثبت شده است.3و در روزهای اولیه تجاری سازی OFC، انحصاراً به Menlo Systems مجوز داده شد. این روش هنوز هم برای تولید پرتوهای فرکانس-در طول موجهایی که دسترسی به آنها دشوار است--بسیار سودمند است، به همین دلیل است که ما همچنان به استفاده از DFG برای گسترش پوشش طیفی به-مادونقرمز و فراتر از آن ادامه میدهیم.
شانههای فرکانس مرجع-خود
پس از توسعه اولین سیستمهای شانهای عملی، پیشرفتها در فیبرهای نوری غیرخطی، تشخیص آفست حامل قابل اعتماد- را امکانپذیر کرد. این پیشرفتها امکان تولید نسبتاً ساده و کارآمد اکتاو-شانههای پوشاننده را فراهم کرد. به عنوان مثال، شانه های فرکانس که محدوده فرکانسی بیش از دو برابر کمترین فرکانس خود را پوشش می دهند. با اکتاو-طیف شانه پوشاننده موجود، فرکانس انحرافی حامل-پاکت را میتوان با استفاده از یک روش ارجاع مستقیم خود- مشخص کرد. این روش بر یک تداخل سنج متکی است که دو بخش مجزا از طیف شانه را هتروداین می کند: حالت شانه با شاخصnدر انتهای قرمز طیف
vn = nfنماینده + fمدیر عامل
از طریق یک کریستال غیر خطی فرستاده می شود تا هارمونیک دوم خود را ایجاد کند
2vn = 2(nfنماینده + fمدیر عامل),
که با دو برابر فرکانس افست جابه جا می شود. سپس این سیگنال دو برابری{1}}در مقابل حالت شانه ای با شاخص 2 قرار می گیردn
v2n = 2nfنماینده + fمدیر عامل.
نت ضربی بین این دو فرکانس مستقیماً فرکانس جبران{0} پاکت نامه حامل را نشان می دهد:
2vn − v2n = fمدیر عامل.
این روش "f-2f" چیزی کمتر از یک دستاورد برجسته در فناوری OFC نیست، زیرا اندازه گیری مستقیم فرکانس انحراف پاکت نامه حامل را ممکن می کند. به طور خاص، از اجرای محرک های کنترل پراکندگی فعال اختصاصی در داخل حفره لیزر برای تثبیت و کنترل نویز بسیار کم پشتیبانی می کند.fمدیر عامل(شکل{0}} را ببینید).
انتقال خلوص طیفی
کنترل و تثبیت مؤثر درجات آزادی یک شانه فرکانس نوری-نرخ تکرار آن و همچنین حامل-فرکانس افست پاکت-برای کاربردهای دقیق، که به پهنای خط و پایداری بسیار فراتر از آنهایی که میتوان با اجرای هر{3}{4}رایگان (شکل{4}رایگان) نیاز دارد، بسیار مهم است. روشی که در همه جا وجود دارد ایجاد یک قفل نوری است. به عنوان مثال، برای انتقال خلوص طیفی ارائه شده توسط یک مرجع نوری خارجی به یکی از خطوط شانه فرکانس. سیستم های مرجع نوری Menlo Systems به طور معمول به پهنای خط زیر{9}}هرتز جفت شده با پایداری فرکانس عالی دست می یابند. آنها یک{11}لیزر موج پیوسته{12}}تک حالته (CW)، یک حفره مرجع نوری با ظرافت بالا، و اجزای قفل نوری و الکترونیکی مرتبط{14}}را ترکیب میکنند که همگی برای ارائه حساسیت بالا و پهنای باند قفل گسترده مهندسی شدهاند.4تنظیم مرسوم برای قفل کردن یک OFC به یک مرجع نوری خارجی در شکل 4b نشان داده شده است. چنین حلقه کنترل نرخ تکرار متکی به تشخیص ضربان بین لیزر مرجع CW و یکی از دندانه های شانه، اندازه گیری هر گونه رانش فرکانس، و اعمال بازخورد بر روی محرک نرخ تکرار شانه است.
بسیار مهم است، اگرچه این طرح دندانه شانه انتخابی را تثبیت می کند، اما فقط فاصله بین لیزر مرجع و آن خط تک شانه واقعاً ثابت است: از آنجایی که محرک نرخ تکرار کنترل تنها یک درجه آزادی را فراهم می کند، در درجه اول بر خطوط شانه نزدیک به نقطه قفل تأثیر می گذارد. در نتیجه، پهنای خط و نویز فاز با فاصله طیفی از مرجع نوری افزایش مییابد. این محدودیت ذاتی طرح قفل است و مستقل از معماری شانه است: چه یک شانه -آزاد یا یک خود{3}}ارجاع شده، زمانی که تنها از طریق نرخ تکرار قفل شود، خلوص طیفی ناگزیر هر چه دورتر یک خط شانه از خطوط نوری خارجی باشد، به طور اجتنابناپذیری کاهش مییابد. بی تاثیر در عوض، همانطور که در شکل 4c نشان داده شده است، انتقال خلوص طیفی در کل طیف شانه فرکانس نیاز به تکمیل محرک نرخ تکرار با یک حلقه کنترل دوم برای فرکانس آفست پاکت حامل ({7}}fمدیر عامل). درگیر شدن چنینfمدیر عاملحلقه بازخورد سه وظیفه اساسی را انجام می دهد: قفل کردنfمدیر عاملدر یک مقدار انتخابی، سرکوب نویز منسجم و نامنسجم آن، و کاهش نویز فاز در تمام دندانهای شانهای که از مرجع نوری خارجی دور هستند. راfمدیر عاملتحریک به طور متقارن روی طیف عمل می کند به این معنا که کمترین تأثیر را بر روی خطوط شانه نزدیک مرجع نوری دارد، اما به شدت روی تمام خطوط شانه دور از آن، از جمله خطوط نوری و همچنین خطوط مجازی در دامنه RF- تأثیر می گذارد. به طور کلی، حلقه سریع برای حامل-کنترل فرکانس آفست پاکت را میتوان به عنوان یک محرک تکمیل کننده محرک نرخ تکرار-برای قفل کردن درجه دوم آزادی یک OFC درک کرد.
طراحی محرک دوگانه Menlo Systems انتقال خلوص طیفی واقعی را امکانپذیر میکند-بهطور دقیق خلوص طیفی یک مرجع نوری را در هر خط شانه تکثیر کند. همانطور که در شکل 5 نشان داده شده است، خلوص طیفی نیز در سراسر مراحل تبدیل فرکانس، از جمله تغییر فرکانس، تولید هارمونیک دوم، یا تولید ابرپیوسته حفظ می شود.
نورپردازی کاربردی: ساعت های اتمی نوری
فناوری صدای بسیار کم{0}«منلو سیستمز» دقت را در سراسر طیف ارائه میکند و برنامههایی را که به دقیقترین عملکرد نیاز دارند، مانند ساعتهای اتمی نوری، پیشرفته میکند. در این زمینه، OFC های ما انتقال دقیق ترین ارجاعات نوری جهان را به دقیق ترین ساعت های نوری جهان،-مقایسه ساعت های متقاطع{3}}با دقت بالا، و همچنین انتشار سیگنال های ساعت نوری در فواصل طولانی از طریق شبکه های فیبر امکان پذیر کردند.
انتقال دقت نهایی
همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، حفره های مرجع نوری معمولاً در ناحیه طول موج نزدیک{1} IR (معمولاً حدود 1550 نانومتر) در دسترس هستند، جایی که عملکرد عالی و قابلیت اطمینان بالا با هزینه نسبتاً کم ارائه می دهند. جای تعجب نیست، این محدوده طول موج همچنین میزبان حفرههای مرجع با بالاترین-عملکرد موجود در حال حاضر است. در کار پیشگامانه با همکاری JILA (ایالات متحده) و Physikalisch{8}}Technische Bundesanstalt (PTB؛ موسسه ملی مترولوژی آلمان)، یک حفره سیلیکونی تک کریستالی برودتی با آینههای سیلیکونی ناپایداری فرکانس کسری را تا 4×10 نشان داد.-17در یک ثانیه و پهنای خط 5 مگاهرتز.5
این پیشرفت ده برابری نسبت به حفرههای-حفرههای--هنر فوقالعاده کم انبساط شیشهای (ULE) در دمای اتاق بهبود یافته است. برای انتقال این پایداری و پهنای خط بینظیر از طول موج عملیاتی حفره در 1542 نانومتر به محدوده طیفی مرئی برای یک رکورد{5}}ساعت شبکه نوری استرانسیوم که در 698 نانومتر کار میکند،6محققان به فناوری شانه فرکانس صدای بسیار کم-منلو سیستمز تکیه می کنند (به موازات، ما حفره برودتی را در مدل ORS-ULN خود مهندسی کردیم).
مقایسه ساعت-به-ساعت
اگرچه تعریف فعلی دوم که بر انتقال فوق ریز 9.2 گیگاهرتز در سزیم متکی است برای بیش از نیم قرن باقی مانده است، یک تلاش مشترک جهانی برای بازتعریف استاندارد SI با استفاده از انتقال های نوری فوق باریک در داخل اتم های سرد و یون های به دام افتاده در حال انجام است. بر این اساس، ساعتهای نوری مبتنی بر طیف وسیعی از گونههای اتمی به عنوان کاندید مورد بررسی قرار میگیرند. برای ارزیابی این استانداردهای جدید، ساعتهای نوری مختلف باید در بالاترین سطح دقت با یکدیگر مقایسه شوند (شکل{3}} را ببینید)، اما فرکانسهای انتقال آنها میتواند صدها تراهرتز متفاوت باشد و هرگونه اندازهگیری الکترونیکی مستقیم را غیرممکن میکند.
همانطور که کار اخیر نشان میدهد، این شکافهای فرکانس را میتوان با بالاترین دقت از طریق انتقال خلوص طیفی پر کرد: OFCهای بسیار کم{0} نویز Menlo Systems امکان مقایسه ساعت متقاطع- گونهها را در 10 فراهم میکنند.-18سطح و فراتر از آن7در این زمینه،{0}}انتقال خلوص طیفی یک ویژگی اثبات{1} آینده است که برای هر آزمایشگاه ساعت نوری لازم است، زیرا امکان بررسی گونههای مختلف اتمی را فراهم میکند در حالی که با اطمینان به یک منبع واحد برای ارجاع به شانه فرکانس تکیه میکند.
انتشار از طریق شبکه های فیبر
در حالی که آزمایشهای پیشگام راه را برای ساعتهای نوری قابل حمل هموار میکنند، دقیقترین ساعتهای امروزی به صورت ثابت باقی میمانند که توسط تیمهای متخصص در مؤسسات ملی اندازهشناسی، تأسیسات تحقیقاتی و دانشگاهها اداره میشوند. از سوی دیگر، مقایسههای طولانی-و انتشار سیگنالهای ساعت فوقپایدار فقط از طریق باند مخابراتی امکانپذیر است. این یک چالش را برای برنامه های شبکه تحمیل می کند، زیرا OFC های قفل شده به یک انتقال ساعت نوری معمولاً نمی توانند به راحتی با شبکه های فیبر ارتباط برقرار کنند یا توزیع سیگنال های مرجع را به سایت های دیگر فعال کنند.
این چالش از اثر ترکیبی مقیاس نویز فاز در شانههای فرکانس معمولی و شکاف طیفی بین انتقال ساعت نوری و باند مخابراتی ناشی میشود. همانطور که در شکل 6 نشان داده شده است، انتقال خلوص طیفی بر این مانع غلبه میکند تا هم مقایسههای ساعت از راه دور و هم انتشار مراجع فوقپایدار به آزمایشگاههایی که ساعتهای نوری خود را کار نمیکنند، امکانپذیر کند. این قابلیت گستره وسیعی از فرصتهای علمی هیجانانگیز-از جمله پیشرفتها در فنآوریهای کوانتومی، ژئودزی{5}}با دقت بالا، نجوم، ناوبری و آزمایشهای فیزیک بنیادی را باز میکند.8,9
