Optical frequency combs (OFCs) eru nákvæmir leysir ljósgjafar þar sem litróf samanstanda af röð af jafn-jafnri tíðnilínum sem líkjast tönnum greiðu. Sem mjög nákvæmar reglustikur til að mæla sjóntíðni, hafa OFC gjörbylt nákvæmnimælingum og mælifræði frá þróun þeirra seint á tíunda áratugnum. Einn mikilvægasti hæfileikinn sem OFC gerir kleift er flutningur á litrófshreinleika. Það vísar til getu OFC til að flytja litrófshreinleika-tíðnistöðugleika og þrönga línubreidd- eins ljósgjafa til annars sem starfar á annarri bylgjulengd.
Í ofurlítil-hávaðaútfærslu (einkaleyfi Menlo Systems1), flutningur á litrófshreinleika varðveitir eiginleika ofurstöðugra sjónviðmiðunarkerfa yfir allt greiðarófið, þar með talið tíðni-umbreytt úttak sem spannar sýnilegt til miðrauða-innrauða litrófssvæðanna.
Kynning á optískum tíðnikambum
OFC er leysigjafi þar sem ljósrófið samanstendur af röð stakra,-jafnra tíðnilína. Í tíðnisviðinu líkist þessi reglubundna uppbygging tönnum greiðu. OFC eru oftast framleidd með örstuttum, módellokuðum leysigeislum (sjá mynd . 1, efst). Modelocking er tækni þar sem lengdarstillingar leysihola neyðast til að sveiflast með föstum fasasambandi. Þar af leiðandi gefur leysirinn frá sér röð af ofurstuttum sjónpúlsum. Hringrásarpúlsinn breiðist fram og til baka inni í leysirómanum með endurtekningarhraðafrep, sem ræðst af -tímanum fram og til baka. Í hverri ferð fram og til baka er lítið magn af púlsorku dregin út í gegnum spegil sem er að hluta til sendandi til að mynda leysiúttakið. Í tímasviðinu birtist þessi útgangur sem venjuleg púlslest og í tíðnisviðinu samsvarar það kamb af jafnfjarlægum litrófslínum (sjá mynd . 1, neðst).
Vegna dreifingar í leysirholinu er hóphraði púlshjúpsins venjulega frábrugðinn fasahraða ljósberans. Þetta misræmi leiðir af sér hægfara fasaskiptinguΔφburðarbylgjunnar með tilliti til púlshjúpsins frá einni hringferð til annarrar. Þetta fyrirbæri er nefnt burðarþols-fasajöfnun (sjá mynd. 1, neðst til vinstri).
Ákjósanlegast, þar sem ekki er hávaði og utanaðkomandi truflanir, felur Fourier sambandið milli tíma- og tíðnisviða til þess að strangt reglubundin púlslest samsvarar stakri tíðnistillingum með jöfnum millibili (sjá mynd . 1, neðst til hægri).
Í tíðnisviðinu eru einstakar greiðalínurνn eru gefnar af:
vn = nfrep + fforstjóri,
hvarner heiltöluhamsvísitala,freper endurtekningartíðni púls, ogfforstjóritáknar burðartíðni flutnings-hjúps. Allt kamarrófið er fært umfforstjórivegna þess að púls-til-púlsbera-hjúps fasafalls, en bilið milli aðliggjandi lína ræðst eingöngu affrep. Í reynd, bæði endurtekningartíðnifrepog flutningstíðni-hjúpsfforstjóri verður bæði að mæla og vera virkan stöðugleika til að ofurhraðan púlsleysir virki sem OFC. Mælingin áfreper tiltölulega einfalt, vegna þess að það liggur venjulega á bilinu frá tugum megahertz til nokkurra gígahertz og hægt er að greina það með því að nota hraðvirka ljósdíóða. Stöðugleiki endurtekningarhraða er náð með því að loka endurgjöfarlykkju á stýrisbúnaði sem gerir kleift að stilla lengd holrúmsins á skilvirkan hátt. Aftur á móti mæla og stjórnafforstjórier umtalsvert flóknari og er mikil áskorun í fyrstu þróun OFC tækni.
Difference-frequency generation (DFG) tíðnakambar
Sögulega séð var ein af fyrstu aðferðunum til að takast á við -umslagstíðni burðarkerfis sjónkerfi sem forðast algerlega þörfina fyrir skýra mælingu og stjórnun þess. Þetta er náð með því að nota í eðli sínu burðarhjúpsfasa stöðuga ólínulega ferli DFG til að búa til eftirmynd af upprunalegu leysipúlslestinni, sem leiðir til meðaltals fforstjórigildi núll (<fforstjóri>= 0). Í slíkum DFG--undirstaða OFC er tveimur aðskildum litrófsþáttum sem koma frá sama leysisveiflunum (venjulega eftir litrófsvíkkun í ólínulegum trefjum) blandað saman í ólínulegan kristal. Í fullkomnu tilviki munu báðir íhlutirnir bera það samafforstjóri, þannig að ef tíðni þeirra er dregin frá mun offsetið hætta til að mynda „offset-ókeypis OFC“. Frá eingöngu tæknilegu sjónarhorni bjóða upp á móti-ókeypis OFC einfaldleika með því að þurfa aðeins eina stjórnlykkju: Eina stjórnbreytan þeirra er endurtekningartíðnifrep. En þessu fylgir málamiðlun: Væntingargildi<fforstjóri>= 0 felur ekki í sér almenna fjarveru áfforstjórifasa hávaði. Með öðrum orðum, á meðan DFG ferlið fjarlægir meðaljöfnun, bælir það ekki ósamræmdan hávaða sem tengistfforstjóri (sjá mynd. 2). Þess í stað hefur verið sýnt fram á að DFG-undirstaða OFC sýna ferningastigun á fasahljóði með tíðni, lýst með "teygjanlegu borði" líkani með fastpunkti á núlltíðni.2
Eftir á að hyggja er rétt að hafa í huga að tæknin við að búa til offset-frjálsa tíðnakamba í gegnum DFG var upphaflega með einkaleyfi af Max Planck Society,3og á fyrstu dögum markaðssetningar OFC var það eingöngu leyfi til Menlo Systems. Aðferðin er enn mjög hagstæð fyrir myndun tíðni-kambeislunar við annars erfiðar-að-bylgjulengdir, þess vegna höldum við áfram að nota DFG til að lengja litrófsþekju inn í miðra-innrauða og víðar.
Sjálf-tíðnikambur sem vísað er til
Eftir þróun fyrstu hagnýtu greiðukerfanna, gerðu framfarir í ólínulegum ljósleiðara áreiðanlega greiningu burðar-hjúpmótunar. Þessi þróun leyfði tiltölulega einföldum og skilvirkum gerð áttunda-kamba; þ.e. tíðniskambar sem ná yfir tíðnisvið sem er meira en tvöfalda lægstu tíðni þeirra. Með áttundarróf-sem spannar greiðaróf tiltækt er hægt að einkenna burðartíðni-hjúpshjúps með því að nota einfalda sjálfs-tilvísunaraðferð. Þessi aðferð byggir á víxlmæli sem sameinar tvo aðskilda hluta kamburrófsins: Kamhamur með vísitöluná rauða enda litrófsins
vn = nfrep + fforstjóri
er sendur í gegnum ólínulegan kristal til að búa til aðra harmoniku sína
2vn = 2(nfrep + fforstjóri),
sem er hliðrað um tvöfalda offset tíðni. Þetta tíðni-tvöfalda merki er síðan slegið á móti comb ham með vísitölu 2n
v2n = 2nfrep + fforstjóri.
Slagnótan á milli þessara tveggja tíðna sýnir beinlínis -hjúpmótunartíðni flytjanda:
2vn − v2n = fforstjóri.
Þessi „f–2f“ aðferð er ekkert minna en tímamótaafrek í OFC tækni vegna þess að hún gerir beina mælingu á burðartíðni burðarbera-hjúps. Sérstaklega styður það innleiðingu sérstakra virkra dreifingarstýringartækja inni í leysirholinu fyrir mjög lágan hávaðastöðugleika og stjórn áfforstjóri(sjá mynd. 3).
Flutningur á litrófshreinleika
Árangursrík stjórn og stöðugleiki á frelsisgráðum ljóstíðnakamba-endurtekningartíðni hans sem og burðartíðni-hjúpmótunar-skipta sköpum fyrir nákvæmnisforrit, sem krefjast línubreiddar og stöðugleika langt umfram það sem hægt er að ná með hvaða ókeypis-a sem er í gangi með ókeypis-a mynd{4b. Alls staðar nálgun er að koma á sjónlás; þ.e. að flytja litrófshreinleikann sem gefinn er með ytri sjónviðmiðun yfir á eina af tíðnikambunarlínunum. Optísk viðmiðunarkerfi Menlo Systems ná venjulega undir-hertz línubreiddum ásamt framúrskarandi tíðnistöðugleika. Þeir sameina einn-hams samfelldan-bylgjuleysis (CW), hár-fínleika sjónviðmiðunarhola og tilheyrandi sjón- og rafræna læsingaríhluti-allt hannað til að veita mikla næmni og mikla læsingarbandbreidd.4Hefðbundin uppsetning til að læsa OFC við ytri sjónviðmiðun er sýnd á mynd 4b. Slík endurtekningarhraða stýrilykkja byggir á því að greina taktnótu á milli CW viðmiðunarleysisins og einnar kambtennanna, mæla hvers kyns tíðnidrif og beita endurgjöf á endurtekningarhraðastilla kambansins í samræmi við það.
Það sem skiptir sköpum er að þrátt fyrir að kerfið komi jafnvægi á valda greiðutönnina, þá er aðeins bilið á milli viðmiðunarleysisins og þessarar einu greiðulínu sannarlega fast: Vegna þess að endurtekningarhraðastillirinn veitir aðeins stjórn á einni frelsisgráðu, hefur hann fyrst og fremst áhrif á greiðalínur nálægt læsingarpunktinum. Þar af leiðandi eykst línubreiddin og fasa hávaði með litrófsfjarlægð frá sjónviðmiðuninni. Þessi takmörkun er eðlislæg læsingarkerfinu og óháð kambarkitektúrnum: Hvort sem um er að ræða offset-lausa eða sjálf-tilvísaða kamb, þegar læst er með endurtekningarhraðanum einum saman, mun litrófshreinleiki óhjákvæmilega skerðast því lengra sem kamlínan er frá ytri sjónviðmiðuninni,{4} og skilur raunverulega RF-línuna eftir.{4} Frekar, eins og sýnt er á mynd 4c, krefst flutnings á litrófshreinleika yfir allt tíðnikambunarrófið að endurtekningarhraðastillirinn bætist við aðra stýrilykkju fyrir burðartíðni -hjúps offset (fforstjóri). Að taka þátt í slíkufforstjóriendurgjöfarlykkja sinnir þremur mikilvægum verkefnum: Læsingfforstjórivið valið gildi, bæla niður samfelldan og ósamhengisan hávaða þess og minnkar fasahljóð yfir allar greiðutennur sem eru fjarlægar ytri sjónviðmiðuninni. Thefforstjórivirkjun virkar samhverft á litrófið í þeim skilningi að hún hefur lágmarks áhrif á greiðulínur nálægt sjónviðmiðuninni, en hefur mikil áhrif á allar greiðulínur langt í burtu frá því, þar með talið bæði sjónrænar og sýndarlínur í RF-léninu. Á heildina litið er hægt að líta á hröðu lykkjuna fyrir -umslagsjöfnun tíðnistjórnunar sem stýribúnað sem bætir við endurtekningarhraðavirkjanum-til að læsa annarri frelsisgráðu OFC.
Tvöföld virkjunarhönnun Menlo Systems gerir kleift að flytja litrófshreinleika-nákvæmlega eftir litrófshreinleika sjónviðmiðunar yfir hverja einustu greiða línu. Eins og sýnt er á mynd 5, er litrófshreinleikanum einnig viðhaldið í gegnum tíðnibreytingarstig, þar með talið tíðnibreytingu, annarri-harmónísku kynslóð eða supercontinuum kynslóð.
Kastljós forrita: Optískar atómklukkur
Ofurlítil-hávaðatækni Menlo Systems skilar nákvæmni yfir allt litrófið, framfarir forritum sem krefjast nákvæmustu frammistöðu, eins og ljósatómklukkur. Á þessu sviði gerðu OFC okkar kleift að flytja nákvæmustu sjónvísanir heimsins í nákvæmustu ljósklukkur heimsins, mikla-nákvæmni kross-klukkusamanburð, sem og langa-dreifingu ljósklukkumerkja um ljósleiðaranet.
Að flytja fullkomna nákvæmni
Eins og sýnt er á mynd 6 eru sjónræn viðmiðunarhol oftast fáanleg á nær-IR bylgjulengdarsvæðinu (venjulega um 1550 nm), þar sem þau bjóða upp á framúrskarandi afköst og mikla áreiðanleika með tiltölulega litlum tilkostnaði. Það kemur ekki á óvart að þetta bylgjulengdarsvið hýsir einnig -afkastamestu viðmiðunarhola sem til eru. Í tímamótavinnu á vegum samstarfs við JILA (Bandaríkin) og Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB; National Metrology Institute of Germany), sýndi kryógenískt einkristallað kísilhol með kísilspeglum hlutfallstíðnióstöðugleika allt að 4 × 10-17á einni sekúndu og línubreidd 5 mHz.5
Þessi þróun er tíföld framfarir á-stað--listar í holrúmum með ultralágt þenslugler (ULE) við stofuhita. Til að flytja þennan óviðjafnanlega stöðugleika og línubreidd frá virknibylgjulengd hola við 1542 nm yfir í sýnilegt litrófssvið fyrir met-sjógrindarklukku úr strontíum sem starfað er við 698 nm,6vísindamenn treysta á ofurlágt-hávaða tíðni comb tækni Menlo Systems (samhliða hönnuðum við frystiholið í líkanið okkar ORS-ULN).
Samanburður á klukku-til-klukku
Þrátt fyrir að núverandi skilgreining á þeirri annarri sem byggir á 9,2 GHz háfínum breytingum innan sesíums hafi staðið í meira en hálfa öld, er alþjóðlegt samstarfsátak í gangi til að endurskilgreina SI staðalinn með því að nota ofurþröng sjónbreytingar inni í köldum atómum og föstum jónum. Í samræmi við það er verið að kanna sjón-klukkur byggðar á fjölmörgum atómtegundum sem frambjóðendur. Til að meta þessa nýju staðla þarf að bera saman ýmsar sjónrænar klukkur hver við aðra á hæsta stigi nákvæmni (sjá mynd . 6), en breytingatíðni þeirra getur verið mismunandi um hundruð terahertz og það gerir allar beinar rafrænar mælingar ómögulegar.
Eins og nýleg vinna sýnir fram á, er hægt að brúa þessi tíðnibil með mikilli nákvæmni með flutningi á litrófshreinleika: Ofurlítil-hávaða OFC frá Menlo Systems gera kleift að bera saman-tegunda klukku við 10-18stigi og lengra.7Í þessu samhengi er litrófs-hreinleikaflutningur framtíðar-eiginleiki sem krafist er fyrir hvaða sjónklukkurannsóknarstofu sem er, vegna þess að það veitir möguleika á að rannsaka ýmsar atómtegundir á sama tíma og treysta á eina uppsprettu til að vísa í tíðniskambinn.
Miðlun um ljósleiðarakerfi
Þó brautryðjendatilraunir séu að ryðja brautina fyrir færanlegar sjónrænar klukkur, eru nákvæmustu klukkur nútímans áfram kyrrstæðar uppsetningar sem reknar eru af sérfræðiteymum við innlendar mælifræðistofnanir, rannsóknaraðstöðu og háskóla. Aftur á móti er samanburður á langri-fjarlægð og miðlun ofurstöðugra klukkumerkja aðeins möguleg í gegnum fjarskiptabandið. Þetta skapar áskorun fyrir netforrit, vegna þess að OFC-tæki sem eru læst við sjón-klukkuskipti geta venjulega ekki auðveldlega tengt við ljósleiðarakerfi eða gert kleift að dreifa tilvísunarmerkjum til annarra vefsvæða.
Áskorunin stafar af sameinuðum áhrifum fasahávaskalunar í hefðbundnum tíðniskömbum og litrófsbilinu á milli sjónrænu klukkubreytinganna og fjarskiptabandsins. Eins og sýnt er á mynd 6 yfirstígur litrófshreinleikaflutningur þessa hindrun til að gera bæði klukkusamanburð í langri-fjarlægð sem og dreifingu á ofurstöðugum tilvísunum til rannsóknarstofa sem reka ekki eigin sjón-klukkur. Þessi hæfileiki opnar fjölbreytt úrval af spennandi vísindalegum tækifærum-þar á meðal framfarir í skammtatækni, mikilli-nákvæmni jarðfræði, stjörnufræði, siglingar og próf í grundvallareðlisfræði.8,9
