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Längeneinheit

Arbeitsgruppe 4.31

Agil und präzise abstimmbarer optischer Synthesizer

Optische Frequenzsynthesizer

Optische Frequenzkämme stellen eine phasenstarre Verbindung zwischen Radiofrequenzsignalen und den optischen Signalen her, die zu den Linien des Frequenzkamms gehören. In diesem Sinne wird im Zusammenhang von optischen Frequenzkämmen auch oft von "Optischen Frequenzsynthesizern" gesprochen. Genau genommen handelt es sich dabei um "Optische Mehrlinien-Frequenzsynthesizer". In manchen Anwendungen, z.B. in der Präzisionsspektroskopie, Längenmessung durch chirped LIDAR Techniken, Atom- und Quantenoptik, Telekommunikation oder Terahertz-Technologie, wird jedoch ein einfrequenter optischer Synthesizer benötigt.

Ein einfrequenter Synthesizer liefert ein Ausgangssignal, dessen Frequenz und Phase einstellbar ist und das phasenstarr an ein Eingangs-Referenzsignal des Synthesizers gekoppelt ist. Das Referenzsignal stammt meist aus einer möglichst stabilen Quelle mit geringer Frequenz-Unsicherheit. Im Idealfall ist die eine Atomuhr. Die geringe Unsicherheit und, je nach Implementierung, auch die hohe Stabilität des Referenzsignals kann so durch einen Synthesizer auf dessen einstellbares Ausgangssignal übertragen werden. Hierbei ist es oft möglich, die Ausgangsfrequenz oder Phase einem nahezu beliebig vorgebbaren zeitlichen Verlauf (z.B. einer hochlinearen Rampe) folgen zu lassen. Bei einem einfrequenten optischen Synthesizer wird also ein einfrequentes optisches Ausgangssignal erzeugt.

In der Arbeitsgruppe 4.35 der PTB wurde ein neuartiges Verfahren für einen einfrequenten optischen Synthesizer entwickelt und patentiert [1]. In dem Verfahren wird ein optischer Frequenzkamm, der durch einen modengekoppelten Laser als Kammgenerator erzeugt wird, auf ein Radiofrequenzsignal referenziert, das z.B. aus einer Cäsium-Atomuhr oder aus einem GPS-disziplinierten Quarzoszillator stammt. Die Frequenzen seiner Kammlinien sind dann entsprechend der Unsicherheit der Referenz bekannt. Um arbiträre Frequenzen des optischen Ausgangssignals zu erzeugen, werden die Linien des Frequenzkamms durch einen neuartigen, vom Kammgenerator unabhängigen, externen und frequenzagilen Frequenzverschieber [2] so verschoben, dass eine der Kammlinien exakt auf der Zielfrequenz liegt. Diese Kammlinie wird dann durch geeignete Mitlauffiltertechniken [3] selektiert und stellt somit das einstellbare - aber zu jedem Zeitpunkt phasenstarr an die Referenz gekoppelte - Ausgangssignal dar (Abb. 1).

Abb. 1: Blockdiagramm des optischen Synthesizers mit Frequenzverschieber. Details siehe Text.

Frequenzverschieber für optische Frequenzkämme

Das Kernelement des agil abstimmbaren Synthesizers ist, neben dem wohlbekannten Kammgenerator, der neuartige, externe Frequenzverschieber. Es wird ein Kammgenerator verwendet, der ein Lichtfeld mit einer impulsförmigen Einhüllenden liefert, d.h. zwischen den Impulsen ist das Lichtfeld null. Mittels eines elektrooptischen Modulators (EOM) wird die optische Trägerphase des Lichtfeldes zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen fortlaufend geändert. Solch eine Phasenänderung pro Zeiteinheit, d.h. hier pro Impulsabstand, entspricht definitionsgemäß (s. Gl. in Abb. 2) einer Trägerfrequenzverschiebung. Für z.B. eine zeitlich konstante Frequenzverschiebung müßte somit eine unendliche zeitliche Phasenrampe mit dem EOM zu erzeugt werden, was jedoch wegen seiner begrenzten Treiberspannung unmöglich ist. Zur Lösung kann man sich folgenden Tricks bedienen: Da das optische Feld 2π-periodisch ist, ist es identisch, die Phase am EOM modulo 2π einzustellen, und die EOM-Treiberspannung bleibt so in einem Fenster mit der Breite der 2π-Spannung des EOMs. In der Realität sind die modulo 2π-Rücksprünge transient verzerrt, was sich jedoch nicht auswirkt, da die Rücksprünge zwischen den Impulsen stattfinden. Die imperfekten Rücksprünge bleiben so im wahrsten Sinne des Wortes im Dunkeln verborgen (Abb. 2). Dieses Verfahren entspricht somit einer Serrodyn-Frequenzverschiebung [4] mit konditionalem Rücksprung. Die 2π-Rücksprünge lassen sich in einer schnellen Digitalelektronik (DDS- oder FPGA-basiert) sehr einfach durch den Überlauf eines Akkumulationsregisters realisieren.

Abb. 2: Impulszug und Phasenstellungen am EOM für konstante Frequenzverschiebung. Die Lichtimpulse tasten die Phasenstellungen im Abstand ΔT ab, die Sprünge und damit eventuell verbundene Transienten bleiben daher verborgen.
Die Gleichung rechts beschreibt die Definition einer Frequenzverschiebung aus der instantanen Phase.


Literatur

[1] Patent DE102010022585, WO002011151062

[2] E. Benkler, F. Rohde, H.R. Telle, 'Endless frequency shifting of optical frequency comb lines,' Opt. Expr. 21, 5793 (2013).

[3] F. Rohde, E. Benkler, H.R. Telle, ' High contrast, low noise selection and amplification of an individual optical frequency comb line,' Opt. Lett. 38, 103 (2013).

[4] R. Kohlhaas, T. Vanderbruggen, S. Bernon, A. Bertoldi, A. Landragin, P. Bouyer, 'Robust laser frequency stabilization by serrodyne modulation,' Opt. Lett. 37, 1005 (2012).


Die Arbeiten zum optischen Frequenzsynthesizer werden gefördert durch das BMWi im Rahmen des ZIM-Projekts KF2303709, das in Kooperation mit einem mittelständischen deutschen Photonik-Hersteller durchgeführt wird.

Kontakt

Dr. Erik Benkler Tel.: +49 (0)531-592 4352
Fax.: +49 (0)531-592 69 4352
E-Mail: Erik Benkler