В Национальном институте стандартов и технологий (NIST) была продемонстрирована сверхстабильная оптоволоконная сеть, которую можно настраивать в диапазоне видимых и ближних инфракрасных частот при синхронизации колебаний световых волн от разных источников.. Гибкая структура сети может упростить точное сравнение последних атомных часов, работающих на разных частотах и в разных местах. Исследование также может найти применение в области дистанционного зондирования и защищенной связи.
Описанный в майском номере журнала Nature Photonicsпрототип сети NIST демонстрирует первую удаленную синхронизацию световых волн от двух «частотных гребенок» - передовых лабораторных инструментов для точного измерения частот света. У двух гребней есть тонкие «зубья», отмечающие точные частоты в разных, но перекрывающихся диапазонах.
Если световые волны с одинаковыми частотами сливаются, они могут либо точно перекрываться, либо быть «не в фазе» (то есть их колебания имеют одну и ту же частоту, но начинаются в разное время). Световые волны на разных частотах никогда не перекрываются точно, но с большим усилием их можно заставить перекрываться не в фазе в одних и тех же узорах в повторных экспериментах. Сеть NIST разработана именно для этого, уменьшая таким образом «шум» канала, возникающий в результате несовпадений. Стабильность лазеров и низкое «дрожание» синхронизированных волн означает, что исходный характер сигнала всегда сохраняется.
Сеть также демонстрирует рекордные характеристики частотной гребенки, созданной с помощью эрбиевого волоконного лазера, альтернативы оригинальной частотной гребенке, генерируемой из кристалла титана-сапфира, также разработанной в NIST. Недавно ученые уменьшили уровень шума в гребенке на основе волокна настолько, чтобы повысить ее стабильность в 30 раз, достигнув производительности, сравнимой с современной частотной гребенкой Ti:Sapphire, используемой в качестве второй гребенки в новой сети NIST. Частотные гребенки на волоконной основе могут быть более компактными и менее дорогими; они также измеряют более низкие, ближние инфракрасные частоты света, которые используются в телекоммуникациях.
Прототип сети простирается на три четверти километра и соединяет три разные лаборатории в кампусе NIST в Боулдере, штат Колорадо. Разработчики говорят, что его можно увеличить до 50 км и более без потери характеристик. Чтобы продемонстрировать способность двух частотных гребенок (работающих по разным принципам) точно сравнивать сильно различающиеся оптические частоты на больших расстояниях, обе гребенки стабилизируются одним и тем же источником лазерного излучения с длиной волны 1126 нм, так что каждый зубец каждой гребенки заблокирован. на одну частоту. Кроме того, лазерный свет с длиной волны 1535 нм, стабилизированный одной гребенкой, сравнивается со светом с длиной волны 1535 нм, генерируемым второй гребенкой, и анализируется стабильность частоты биений (представляющая разницу между ними) для оценки производительности сети.
Оптическое волокно было предоставлено OFS Laboratories, Сомерсет, штат Нью-Джерси. Проект частично поддержало Агентство перспективных оборонных проектов.
И. Коддингтон, В. К. Суонн, Л. Лорини, Дж. К. Бергквист, Ю. Ле Кок, К. У. Оутс, К. Курайши, К. С. Федер, Дж. В. Николсон, П. С. Уэстбрук, С. А. Диддамс и Н. Р. Ньюбери. Когерентный оптический канал на сотни метров и сотни терагерц с субфемтосекундным временным джиттером. Nature Photonics 1, 283-287 (2007), опубликовано в Интернете: 1 мая 2007 г.
Что такое гребенки оптических частот?
Оптическая «частотная гребенка» - очень точный инструмент для измерения различных цветов или частот света. Эта технология, ставшая возможной благодаря недавним достижениям в области сверхбыстрых лазеров, позволяет точно измерять гораздо более высокие частоты, чем любой другой инструмент. Частотные гребенки уже широко используются в метрологических лабораториях и физических исследованиях, и они начинают поступать в продажу.
Оптические частотные гребенки основаны на соотношении между временем - очевидно, знакомой концепцией - и частотой, которая менее знакома большинству людей, а представляет собой просто количество колебаний в единицу времени. Ученые NIST начинают с лазеров, которые излучают непрерывную последовательность очень коротких, близко расположенных импульсов света, содержащих миллион различных цветов. Свойства света с течением времени преобразуются в числовые значения частоты, чтобы получилось нечто похожее на гребенку. Время и частота обратно пропорциональны; то есть меньшие единицы времени (или более быстрые колебания световых волн) приводят к большим числам частоты.
На приведенном выше рисунке показано, как несколько разных цветов света колеблются во времени. Этот пример сильно упрощен, и конкретные единицы не важны (на самом деле единицами измерения будут крошечные доли секунд). Существенным моментом является то, что синие волны колеблются намного быстрее, чем красные волны, а желтые и зеленые волны находятся где-то посередине.