JP5998214B2 - ウィスパリングギャラリーモード光共振器におけるパラメトリック非線形光混合に基づいたコンパクトな光原子時計および用途 - Google Patents
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Description
式中、n2は、光非線形性の強度を特徴付ける光学定数である。noは、材料の線形屈折率である。Vはモード体積であり、cは、真空中の光速度である。この結合定数を導出することにより、我々は、これらのモードのジオメトリはほぼ重複していると仮定した。このような重複は、これらのモード間の周波数差が小さい場合に当てはまる。力Foは、システムの外部ポンピングがFo=(2KoPo/wo)1/2であることを示す。ここで、Poは、外部から付加されたモードのポンプ出力である。
すなわち、ビート周波数は、共振器モード間の周波数差のみに依存し、ポンピングモードからの光出力またはレーザー離調には依存しない。その結果、電子周波数同期回路は、ポンプレーザーの搬送波周波数を変化させるが、ポンピングレーザーのビートの周波数および生成されたサイドバンドを変化させない。
ここで、数値ファクター1.54は、発振閾値に対する自己位相変調効果の影響によるものである。我々の実験における閾値の理論値は、Pth≒0.3mWであり、ここで、no=1.44は材料の屈折率であり、n2=3.2X10−16cm2/Wはフッ化カルシウムの非線形係数であり、V=10−4cm3はモード体積であり、Q=6x109であり、Σ=1.32μmである。
式中、ω0は光ポンプ周波数であり、Paveは、生成されたパルス列の平均光出力であり、αは、往復光損失である。よって、パルスが繰り返し率と比較して短いほど、位相ノイズも小さくなる。一方、T/tは、コムN内のモード数にほぼ等しいことが分かった。よって、1つまたは2つのサイドバンドを有する通常のハイパーパラメトリック発振器と比較して、コムの(N^2)位相ノイズがずっと小さくなることが予測される
Claims (28)
- デバイスであって、
光非線形性を示す光学材料によって形成され、前記光非線形性によって発生する非線形波混合に基づいて光周波数コムを生成する光共振器と、
調節可能であり、前記光周波数コムを生成するため、前記非線形波混合に基づいて前記光共振器の前記光学材料と相互作用するレーザー光を生成するレーザーと、
前記レーザーを前記光共振器へと同期させるレーザー同期機構と、
原子遷移または分子遷移を提供する原子または分子を含み、前記原子遷移または前記分子遷移の情報を搬送する出力光を生成するため、前記光共振器から放射された光を受信するよう結合された原子リファレンスデバイスと、
前記原子リファレンスデバイスからの前記出力光を受信し、第1の検出器出力を生成する第1の光検出器と、
前記レーザーまたは前記光共振器の少なくとも1つに結合され、前記第1の検出器出力を受信し、フィードバック信号を生成し、前記フィードバック信号を供給して前記レーザーまたは前記光共振器のうち少なくとも1つを安定させるフィードバック回路と、
前記光周波数コムを前記原子リファレンスデバイスの前記原子遷移または前記分子遷移に対して周波数安定な無線周波数(RF)信号へ変換するため、光カプラによって前記光共振器から放射された光を受信する第2の光検出器と、
を含む、デバイス。 - 前記光共振器は、光ウィスパリングギャラリーモード共振器である、
請求項1のデバイス。 - 前記光共振器は、非線形結晶質材料によって構成される、
請求項1のデバイス。 - 前記レーザーおよび前記光共振器は、注入同期を介して互いに同期され、前記レーザー同期機構は、前記レーザー光を前記光共振器中に結合させ、さらに、前記レーザーを前記光共振器へと注入同期させるため、前記光共振器から外部へ出ていく光を再度前記レーザーへと結合させる光カプラを含む、
請求項1のデバイス。 - 前記レーザー同期機構は、前記レーザーおよび前記光共振器を互いに同期させる同期回路を含む、
請求項1のデバイス。 - 前記同期回路は、Pound−Drever−Hall(PDH)回路である、
請求項5のデバイス。 - 前記デバイスは、前記原子リファレンスデバイスおよび前記光共振器と光学的に連絡する光マッハツェンダー干渉計を含み、ここで、前記光マッハツェンダー干渉計は、前記光共振器から放射された光を受信するように配置され、前記光マッハツェンダー干渉計は、前記光共振器から放射された光が、前記原子リファレンスデバイス中の第1の原子遷移と共振する第1の光ビームおよび前記原子リファレンスデバイス中の第2の異なる原子遷移と共振する第2の光ビームに処理されるように配置され、さらに前記光マッハツェンダー干渉計は、前記光を処理した後に、前記第1の光ビームおよび前記第2の光ビームを前記原子リファレンスデバイス中へと方向付けるように配置されている、請求項1のデバイス。
- 前記レーザーは、前記レーザーまたは前記光共振器を安定させるための前記フィードバック信号に関連したディザー変調を有するレーザー光を生成するように変調される、
請求項7のデバイス。 - 前記原子リファレンスデバイスは原子蒸気セルを含む、
請求項1のデバイス。 - 前記原子リファレンスデバイスは原子トラップを含む、
請求項1のデバイス。 - 前記原子リファレンスデバイスは原子ビームを含む、
請求項1のデバイス。 - デバイスであって、
光非線形性を示し、光ウィスパリングギャラリーモードをサポートするウィスパリングギャラリーモード共振器として構成される光共振器と、
調節可能であり、かつレーザー光を生成するレーザーと、
前記光共振器中の非線形波混合に基づいて異なる周波数の光コム信号を生成するため、前記レーザー光を前記光共振器中へと結合させる光カプラと、
原子遷移または分子遷移を周波数リファレンスとして提供する原子または分子を含む原子リファレンスデバイスと、
前記異なる周波数の光コムを安定させるため、前記光共振器または前記レーザーのうち少なくとも1つを前記原子リファレンスデバイスの前記原子遷移または前記分子遷移に周波数同期させる同期回路と、
を含む、デバイス。 - 前記同期回路は、前記光共振器からの光を再度前記レーザーへと方向付けて、前記光共振器のモードに対する前記レーザーの注入同期を発生させる、
請求項12のデバイス。 - 前記同期回路は、前記光共振器から外部へ出ていく光を結合させ、前記結合された光を再度前記レーザーへと方向付ける光カプラを含む、
請求項13のデバイス。 - 前記同期回路は、Pound−Drever−Hall(PDH)回路を含む、
請求項12のデバイス。 - 原子周波数リファレンスに対して安定した無線周波数(RF)またはマイクロ波信号を生成する方法であって、
光共振器の自由スペクトル範囲(FSR)または前記FSRの高調波によって分離された少なくとも2つの異なる光共振器モードにおける前記光共振器内部に閉じ込めレーザー光を生成するため、レーザー光を前記光共振器内に光結合によって方向付ける工程と、
前記少なくとも2つの異なる光共振器モードに対応する2つの光スペクトルコンポーネントを有する光共振器出力として、前記光共振器内の前記閉じ込めレーザー光を光結合によって放出する工程と、
前記光共振器出力内の前記少なくとも2つの異なる光共振器モードに対応する前記2つの光スペクトルコンポーネントを安定させるため、前記光共振器を原子周波数リファレンスの2つの原子遷移に対して同期させる工程と、
前記原子周波数リファレンスに対して安定な前記2つの光スペクトルコンポーネント間の周波数差の周波数における検出器信号を生成するため、前記光共振器出力を光検出器内へと光結合によって方向付ける工程と、
を含む、方法。 - 前記光共振器の第1の光共振器モードに対応する第1のレーザー搬送波周波数における前記レーザー光の第1の部分を生成するよう第1のレーザーを動作させる工程と、
前記第1のレーザーを前記光共振器の前記第1の光共振器モードに同期させる工程と、
前記光共振器の第2の光共振器モードに対応する第2のレーザー搬送波周波数における前記レーザー光の第2の部分を生成するように第2の別個のレーザーを動作させる工程と、
前記第2のレーザーを前記光共振器の前記第2の光共振器モードに同期させる工程と、
を含む、請求項16の方法。 - 前記第1のレーザーおよび前記第2のレーザーを前記光共振器を介して互いに同期させる工程、
を含む、請求項17の方法。 - 前記光共振器内部の非線形波混合を介して光周波数コムを生成するため、非線形光共振器として前記光共振器を構成する工程を含み、
前記生成された光周波数コムは、前記少なくとも2つの異なる光共振器モードを含む、請求項16の方法。 - エラー信号を生成するため、前記光共振器出力からの光を前記原子周波数リファレンス内へと光結合によって方向付ける工程と、
前記光共振器を前記原子周波数リファレンスへ同期させるため、フィードバックループ内の前記エラー信号を用いる工程と、
を含む、請求項19の方法。 - 前記原子周波数リファレンス内の第1の原子遷移と共振する第1の光周波数における第1のビームと、前記第1の原子遷移と共通励起状態を共有する前記原子周波数リファレンス内の第2の原子遷移と共振する第2の異なる光周波数における第2のビームとを生成するために、前記光共振器出力の前記光を干渉計によって処理する工程と、
前記エラー信号を生成するため、前記第1の原子遷移および前記第2の原子遷移によって発生した電磁誘導透過を用いる工程と、
を含む、請求項20の方法。 - 前記レーザー光を生成するようレーザーを動作させる工程と、
前記レーザー光を前記光共振器に方向付ける工程の前に、エラー信号を生成するため、前記原子周波数リファレンスを通過して伝搬するよう前記レーザー光の一部を分割する工程と、
前記光共振器を前記原子周波数リファレンスへ同期させるため、フィードバックループ内の前記エラー信号を用いる工程と、
を含む、請求項16の方法。 - 光コムを生成し、原子周波数リファレンスに対して安定化させる方法であって、
レーザー光を生成するようレーザーを動作させる工程と、
前記レーザー光を、光非線形性を示し、光共振器中の非線形波混合に基づいて異なる周波数の光コム信号を生成するために充分なパワーによって光ウィスパリングギャラリーモードをサポートする前記光共振器内に光結合によって方向付ける工程と、
前記レーザーおよび前記光共振器を互いに同期させる工程と、
前記異なる周波数の光コムを安定させるため、前記レーザーまたは前記光共振器を原子周波数リファレンスへ同期させる工程と、
を含む、方法。 - 前記光共振器から前記レーザーへの光フィードバックに基づいた注入同期を介して、前記レーザーおよび前記光共振器を互いに同期させる工程、
を含む、請求項23の方法。 - Pound−Drever−Hall(PDH)回路を介して前記レーザーおよび前記光共振器を互いに同期させる工程、
を含む、請求項23の方法。 - 原子蒸気または分子蒸気中の電磁誘導透過に基づいて、前記レーザーまたは前記光共振器を原子周波数リファレンスへ同期させる工程、
を含む、請求項23の方法。 - 前記原子周波数リファレンスと異なる第2の原子周波数リファレンスを提供する工程と、
前記レーザーまたは前記光共振器を、前記原子周波数リファレンスおよび前記第2の原子周波数リファレンスの双方へ同期させる工程と、
を含む、請求項23の方法。 - デバイスであって、
光非線形性を示す結晶質材料によって形成され、光ウィスパリングギャラリーモードをサポートするウィスパリングギャラリーモード共振器として構成される光共振器と、
調節可能であり、かつレーザー光を生成するレーザーと、
前記レーザー光を、前記結晶質材料の前記光非線形性に基づいて異なる周波数の光コムを発生させる前記光共振器中へと結合させ、さらに、前記光共振器への前記レーザーの注入同期を発生させるため、前記光共振器内から外部へ出ていく前記光共振器内の光を再度前記レーザーへと結合させる光カプラと、
原子遷移または分子遷移を提供する原子または分子を含み、前記原子遷移または前記分子遷移の情報を搬送する出力光を生成するため、前記光共振器から放射された光を受信するよう接続された原子リファレンスデバイスと、
第1の検出器出力を生成するため、前記原子リファレンスデバイスからの前記出力光を受信する第1の光検出器と、
前記レーザーまたは前記光共振器のうち少なくとも1つに接続され、前記第1の検出器出力を受信し、フィードバック信号を生成し、前記フィードバック信号を供給して前記レーザーまたは前記光共振器のうち少なくとも1つを安定させるフィードバック回路と、
前記異なる周波数の光コムを、前記原子リファレンスデバイスの前記原子遷移または前記分子遷移に対して周波数安定な第2の検出器信号へ変換するため、光カプラによって前記光共振器から放射された光を受信する第2の光検出器と、
を含む、デバイス。
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