Ottico

Rapporti scientifici volume 13, numero articolo: 8750 (2023) Citare questo articolo

Una misurazione più semplice e accurata delle frequenze ottiche assolute (AOF) è molto importante per le comunicazioni ottiche e i sistemi di navigazione. Finora è stato necessario un riferimento ottico per misurare gli AOF con una precisione di dodici cifre a causa della difficoltà di misurarli direttamente. Qui ci concentriamo su un pettine di modulazione elettro-ottica in grado di colmare l’ampio divario di frequenza tra fotonica ed elettronica. Dimostriamo un metodo senza precedenti in grado di misurare direttamente gli AOF con una precisione di dodici cifre con un contatore di frequenza RF semplicemente fornendo un laser a frequenza sconosciuta in un modulatore di fase ottico. Ciò potrebbe aprire un nuovo orizzonte per la metrologia della frequenza ottica senza riferimenti ottici. Il nostro metodo può anche ottenere simultaneamente una riduzione del rumore di fase di 100 volte in un generatore di segnale convenzionale. Ciò corrisponde ad un aumento della velocità di trasmissione delle comunicazioni senza fili di circa sette volte.

La crescente domanda di generazione di microonde a basso rumore di fase a livelli senza precedenti nei sistemi radar coerenti1, 2, di sincronizzazione fase/orologio3,8,5 e di conversione analogico-digitale ad alta velocità1, 6, 7 ha creato sfide nel settore delle microonde -tecnologie fotoniche8. Nei sistemi radar, per tracciare piccoli oggetti come i droni è necessaria una microonde da 10 GHz con un rumore di fase ultrabasso di −170 dBc/Hz a una frequenza di offset di 10 kHz. Nella sincronizzazione fase/orologio, i segnali a microonde con basso rumore di fase sono diventati sempre più importanti per l'e-commerce, come il commercio ad alta frequenza e la marcatura temporale affidabile5, i sistemi di energia elettrica come le reti intelligenti9 e l'elaborazione distribuita nei data center. Per una sincronizzazione fase/orologio più accurata10, 11, gli orologi ottici, come il reticolo ottico e gli orologi ionici, sono stati discussi in ITU-T come futuri orologi principali12. SDH (Synchronous Digital Hierarchy) e SONET (Synchronous Optical Network) sono protocolli standard per le reti di comunicazione digitale che utilizzano la fibra ottica. La dimensione di base del frame di SDH/SONET è definita come 125 µs per frame13. La precisione della frequenza degli attuali orologi principali al cesio è 10–11. Se due dispositivi di comunicazione sincronizzati con diversi orologi principali al cesio eseguono la lettura e la scrittura dei dati, l'attuale intervallo di scorrimento per la lettura dei segnali digitali si verifica ogni 72 giorni. Al contrario, l'orologio a reticolo ottico (precisione della frequenza: 10–18) può prolungare l'intervallo di scorrimento di due milioni di anni, quindi sarà un orologio principale esente da manutenzione. Poiché i sistemi di telecomunicazione funzionano a frequenze che vanno dai gigahertz ai kilohertz, la frequenza dell'orologio ottico (sotto i petahertz) di un orologio principale dovrà essere convertita con precisione verso il basso. Sono stati segnalati alcuni metodi di generazione di microonde basati su tecnologie fotoniche, come gli oscillatori parametrici in modalità Whispering Gallery14, la divisione di frequenza ottica15,19,17, gli oscillatori optoelettrici18, gli oscillatori Brillouin su chip19 e le cavità di riferimento ottiche20. Uno studio recente ha dimostrato che le microonde a rumore ultrabasso possono essere generate con un pettine di frequenza basato su un laser a fibra con modalità bloccata a rumore ultrabasso21. Questo metodo consente di ottenere un'eccellente generazione di microonde a basso rumore a 12 GHz, ma sarebbe difficile fornire agli utenti finali un apparato complesso comprendente molti set di grandi pettini di frequenza basati su laser a fibra a basso rumore.

Nel campo della metrologia della frequenza ottica, era impossibile misurare direttamente l'AOF utilizzando un contatore di frequenza RF perché la frequenza ottica è circa decine di migliaia di volte superiore alla frequenza delle microonde. Prima del 1999, i contatori AOF utilizzavano una catena di frequenza ottica22,26,24, che misurava le alte frequenze moltiplicando e mescolando sequenzialmente le basse frequenze. La misurazione richiedeva molti laser stabili, oscillatori a microonde ed elementi di conversione della lunghezza d'onda oltre a circuiti di controllo e strumenti di misurazione. Nel 1999 è apparso il pettine di frequenze ottiche (OFC)25,26,27,28, che ha spostato drasticamente l'attenzione dalla complessa catena di frequenze ottiche. La frequenza dell'ennesimo dente del pettine, fN, può essere espressa come \({f}_{ceo}+N\times {f}_{rep}\), dove N, frep e fceo sono il numero della modalità del pettine, frequenza di ripetizione e frequenza di offset dell'inviluppo della portante (CEO), rispettivamente. Per misurare gli AOF di un laser a frequenza sconosciuta utilizzando un OFC, viene misurata la frequenza di battimento \({f}_{b}\) tra l'ennesimo dente del pettine e il laser a frequenza sconosciuta. Pertanto, \(f\), è descritto come \({f}_{ceo}+N\times {f}_{rep}\pm {f}_{b}\). In pratica, il numero di modalità pettine N può essere determinato misurando il numero di modalità pettine più vicino alla sorgente laser sconosciuta. Questo può essere fatto utilizzando un misuratore di lunghezza d'onda con sufficiente precisione e accuratezza per misurare l'OFC entro frep/2, oppure misurando frep e fb e contando la variazione nel numero della modalità pettine variando frep di una grande quantità, tipicamente sul ordine di MHz. Il primo metodo richiede un misuratore di lunghezza d'onda estremamente preciso e un pettine di frequenza ottico come sorgente di riferimento ottico, mentre il secondo metodo richiede solo un pettine di frequenza ottico come sorgente di riferimento ottico. Tuttavia, quest'ultimo metodo può essere complicato in quanto richiede un conteggio accurato della variazione del numero della modalità pettine variando frep di una grande quantità.