Оптический

Научные отчеты, том 13, Номер статьи: 8750 (2023) Цитировать эту статью

Более простое и точное измерение абсолютных оптических частот (AOF) очень важно для систем оптической связи и навигации. На сегодняшний день для измерения АОФ с двенадцатизначной точностью необходим оптический эталон из-за сложности их прямого измерения. Здесь мы сосредоточимся на гребенке электрооптической модуляции, которая может преодолеть огромный частотный разрыв между фотоникой и электроникой. Мы демонстрируем беспрецедентный метод, который позволяет напрямую измерять АОФ с точностью до двенадцати разрядов с помощью радиочастотного счетчика, просто подавая лазер с неизвестной частотой в оптический фазовый модулятор. Это может открыть новые горизонты для оптической безопорной метрологии оптических частот. Наш метод также позволяет одновременно добиться 100-кратного снижения фазового шума в обычном генераторе сигналов. Это соответствует увеличению скорости передачи беспроводной связи примерно в семь раз.

Растущий спрос на генерацию СВЧ-излучения с низким фазовым шумом на беспрецедентных уровнях в когерентных радиолокационных системах1, 2, фазовой/тактовой синхронизации3,8,5 и высокоскоростном аналого-цифровом преобразовании1,6,7 создает проблемы в области микроволнового излучения. -фотонные технологии8. В радиолокационных системах для отслеживания небольших объектов, таких как дроны, требуется микроволновая печь 10 ГГц со сверхнизким фазовым шумом - 170 дБн/Гц при частоте смещения 10 кГц. При фазовой/тактовой синхронизации микроволновые сигналы с низким фазовым шумом становятся все более важными для электронной коммерции, такой как высокочастотная торговля и надежная штамповка времени5, электроэнергетические системы, такие как интеллектуальные сети9, и распределенная обработка данных в центрах обработки данных. Для более точной фазовой/тактовой синхронизации10, 11 в МСЭ-Т обсуждались оптические часы, такие как часы на оптической решетке и ионные часы, в качестве будущих главных часов12. SDH (синхронная цифровая иерархия) и SONET (синхронная оптическая сеть) — это стандартные протоколы для сетей цифровой связи, использующих оптоволокно. Базовый размер кадра SDH/SONET определяется как 125 мкс на кадр13. Точность частоты современных цезиевых главных часов составляет 10–11. Если два устройства связи, синхронизированные с разными цезиевыми главными часами, выполняют чтение и запись данных, текущий интервал скольжения для чтения цифровых сигналов возникает каждые 72 дня. Напротив, часы на оптической решетке (точность частоты: 10–18) могут обеспечить интервал скольжения в два миллиона лет, поэтому это будут главные часы, не требующие обслуживания. Поскольку телекоммуникационные системы работают на частотах от гигагерца до килогерца, оптическая тактовая частота (субпетагерц) главных часов должна быть точно преобразована с понижением частоты. Сообщалось о некоторых методах генерации микроволнового излучения, основанных на фотонных технологиях, таких как параметрические генераторы в режиме шепчущей галереи14, оптическое разделение частот15,19,17, оптоэлектрические генераторы18, встроенные генераторы Бриллюэна19 и оптические эталонные резонаторы20. Недавнее исследование показало, что сверхмалошумящие микроволны можно генерировать с помощью гребенки частот на основе сверхмалошумящего волоконного лазера с синхронизацией мод21. Этот метод обеспечивает превосходную генерацию микроволнового излучения с низким уровнем шума на частоте 12 ГГц, но было бы сложно предоставить конечным пользователям сложное устройство, содержащее множество наборов больших малошумящих частотных гребенок на основе волоконного лазера.

В области метрологии оптических частот было невозможно напрямую измерить АОФ с помощью радиочастотного счетчика, поскольку оптическая частота примерно в десятки тысяч раз превышает микроволновую частоту. До 1999 года в счетчиках АОФ использовалась цепь оптических частот22,26,24, которая измеряла высокие частоты путем последовательного умножения и смешивания низких частот. Для измерения потребовалось множество стабильных лазеров, микроволновых генераторов и элементов преобразования длины волны в дополнение к схемам управления и измерительным инструментам. В 1999 году появилась гребенка оптических частот (OFC)25,26,27,28, которая резко отвлекла внимание от сложной цепочки оптических частот. Частоту N-го зубца гребенки, fN, можно выразить как \({f}_{ceo}+N\times {f}_{rep}\), где N, frep и fceo — номер режима гребенки, частота повторения и частота смещения несущей (CEO) соответственно. Для измерения АОФ лазера с неизвестной частотой с использованием OFC измеряется частота биений \({f}_{b}\) между N-м зубцом гребенки и лазером с неизвестной частотой. Таким образом, \(f\) описывается как \({f}_{ceo}+N\times {f}_{rep}\pm {f}_{b}\). На практике номер гребенчатой ​​моды N можно определить путем измерения номера гребенчатой ​​моды, ближайшего к неизвестному лазерному источнику. Это можно сделать либо с помощью измерителя длины волны с достаточной точностью и аккуратностью для измерения OFC в пределах frep/2, либо путем измерения frep и fb и подсчета изменения номера гребенчатой ​​моды при значительном изменении frep, обычно на порядка МГц. Для первого метода требуется высокоточный измеритель длины волны и гребенка оптических частот в качестве оптического эталонного источника, тогда как для второго метода требуется только гребенка оптических частот в качестве оптического эталонного источника. Однако последний метод может быть сложен, поскольку он требует точного подсчета изменения номера гребенчатой ​​моды при значительном изменении frep.