Александр Борцов - Квантовый оптоэлектронный генератор

Рис.1.41. Схема компактного квантового стандарта частоты на ячейке Цезия. «5 МГц КГ» -кварцевый генератор, ФД- фотодиод, «Lock-in» —смеситель, фазовый детектор, «530Гц» — генератор частотой 530Гц, «10кГц» — генератор частотой 10кГц. Схема ячейки с цезием. [158]

(а)

Рис.1.42. Схема компактного квантового стандарта частоты на ячейке Цезия. «5 МГц КГ» -кварцевый генератор, ФД- фотодиод, «Lock-in» —смеситель, фазовый детектор, «530Гц» — генератор частотой 530Гц, «10кГц» — генератор частотой 10кГц. Схема ячейки с цезием. [158]

Рис.1.43. Схема компактного квантового стандарта частоты на ячейке Цезия. «5 МГц КГ» -кварцевый генератор, ФД- фотодиод, «Lock-in» —смеситель, фазовый детектор, «530Гц» — генератор частотой 530Гц, «10кГц» — генератор частотой 10кГц. Энергетические уровни цезия (слева) и рубидия (справа) при оптической накачке [158].

1.12.2.Лазерный синтезатор ФСК

В лазерном синтезаторе ФСК используется стабилизированный лазер, выполненный на базе лазера (оптическая частота генерации v o= 456ТГц, длина волны 658нм) со стабилизирующим высокодобротным резонатором Фабри-Перо и фемтосекундный лазер, работающий в режиме синхронизации продольных мод лазера (или «мод-локинга»). Управление оптической частотой с использованием высокодобротного оптического резонатора Фабри-Перо обеспечивает ширину спектральной линии оптического излучения задающего лазера 0,2 Гц, что является рекордным показателем. СПМФШ оптического излучения лазера частотой 456 ТГц составляет при отстройке от оптической несущей 1 Гц — 17 Дб/Гц [131]. В основе построения ФСК, схема которого показана на рис. 1.23, лежит принцип формирования радиочастотных колебаний путем сложения на площадке ФД двух синхронизируемых оптических колебаний, разнесенных по частоте на 1 ГГц. Современные лазеры, работающие в таком режиме, обычно строятся по схеме, показанной на рис. 1.23. В данную схему входят последовательно замкнутые в кольцо амплитудный электрооптический модулятор (или абсорбционная ячейка с насыщением), полосовой оптический фильтр, направленный изолятор и активный нелинейный оптический элемент усиления излучения. На рис.1.23 также показаны виды оптического спектра на выходе фемтосекундного лазера и радиочастотного спектра на выходе ФСК.

Схема ФСК представляет идеальный оптоэлектронный делитель-преобразователь оптической частоты 456ТГц (длина волны в воздухе 0,65мкм) на число N=53200. На выходе «делителя» формируется радиочастотный сигнал 10 ГГц, спектральная плотность мощности (СПМ) фазового шума которого на частоте отстройки 1 Гц составила — 112 Дбм/Гц. Данный результат при частотной отстройке от радиочастотной несущей на величины от 1 до 300 Гц является рекордным. Данный синтезатор превосходит по фазовым шумам на -50 Дб лучшие коммерческие микроволновые генераторы с резонатором на лейко-сапфире. Измеренный временной «джиттер» (временные уходы фронта импульса за счет флуктуаций) составил 0,8 фемтосекунд). Схема ФСК представляет оптоэлектронный преобразователь излучения оптической частоты 456ТГц в радиочастотные колебания 10ГГц по схеме фотодетектирования двухчастотного оптического колебания с использованием самогетеродинирования на площадке ФД. Именно в результате самогетеродинирования в схеме ФСК получен рекордный уровень СПМ фазовых шумов.

Рис.1.44. Схема экспериментальной установки фемтосекундного синтезатора ФСК для формирования автоколебаний на частоте 10 ГГц со сверхнизким уровнем спектральной плотности фазовых шумов S (F) . «АПЧ» — автоматическая подстройка оптической частоты лазера [153].

Отметим, что благодаря использованию лазера с малыми фазовыми шумами с высокостабилизированным оптическим резонатором, в ФСК было получены рекордные сверхмалые фазовые шумы радиочастотных колебаний. На частоте 10 ГГц при отстройке 0,001 кГц от радиочастотной несущей их уровень составил менее — 110 дБм/Гц. Столь предельно малые фазовые шумы низкочастотные объясняются не только малыми фазовыми шумами задающего лазера, но и предельно малой восприимчивостью оптического резонатора фемтосекундного лазера к низкочастотным шумам за счет малых геометрических размерах.

В синтезаторе с оптическим микрорезонатором (СОМ), схема которого показана на рис.1.24, производится синтезрадиочастотных колебаний 10 ГГц и 89 ГГц .Основным принципом формирование так же, как и в ФСК, является двухчастотное оптическое преобразование с самогетеродинированием излучения на фотодетекторе в колебания СВЧ. Именно за счет самогетеродинирования в схеме СОМ получается относительно низкий уровень (хотя и не рекордный) СПМ фазового шума и кратковременная нестабильность частоты 10 ГГц.

Рис.1.45. Схема формирования радиочастотных колебаний 10 ГГц и 89 ГГц в синтезаторе с оптическим микрорезонатором СОМ (а) — в оптическом частотном синтезаторе на базе микротороида (б) с использованием нелинейного оптического преобразования [158].

Отличительной особенностью СОМ является использование в этой схеме для формирования двух оптических частот нелинейного оптического преобразования в оптическом микрорезонаторе, вид которого приведен на рис.1.22 б. На вход микрорезонатора, оптическая добротность (то есть отношение собственной оптической частоты к ширине резонансного пика по уровню 0.7) которого составляет 10 9, поступает оптическое излучение относительно высокой мощности 200мВт от узкополосного с ультра низкими оптическими фазовыми шумами лазера (длина волны равна 1,55мкм и ширина спектральной линии 3кГц), .

Рис.1.46. Спектр оптического излучения на выходе оптического кольцевого резонатора микротороида. Показаны составляющая лазера накачки и оптические гармоники. Разница длин волн между соседними гармониками составляет примерно 0,71нм (что соответствует разнице частот соседних гармоник примерно 85,7 ГГц) [158].

Благодаря большой оптической мощности 200 мВт и узкой спектральной линии оптического излучения 3кГц на выходе микротороида формируется многочастотные колебания, спектр которых изображен на рис.1.24. В такой схеме на частоте 8,57 ГГц получена кратковременная стабильность частоты равная 10 —12. Лазерный блок накачки состоит из высококогерентного лазера с шириной линии 3 кГц, синхронизируемого более мощного лазера и оптического усилителя с автоподстройкой частоты. СОМ, как видно из описания его функциональной схемы, также относится к оптоэлектронным устройствам формирования радиочастотных колебаний и в нем происходит преобразование оптических частот 200 ТГц в колебания частотой 10ГГц. Фазовые шумы радиочастотных колебаний в таком устройстве определяются фазовыми шумами лазера. В этом устройстве мы видим также много общего с ОАГ ВОЛЗ, например, выделение колебания поднесущей в фототоке фотодетектора.