Optique

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 8750 (2023) Citer cet article

Une mesure plus simple et plus précise des fréquences optiques absolues (AOF) est très importante pour les systèmes de communication optique et de navigation. À ce jour, une référence optique était nécessaire pour mesurer les AOF avec une précision à douze chiffres en raison de la difficulté de les mesurer directement. Ici, nous nous concentrons sur un peigne de modulation électro-optique capable de combler le vaste écart de fréquence entre la photonique et l’électronique. Nous démontrons une méthode sans précédent qui peut mesurer directement les AOF avec une précision de douze chiffres avec un compteur de fréquence RF en envoyant simplement un laser de fréquence inconnue dans un modulateur de phase optique. Cela pourrait ouvrir un nouvel horizon pour la métrologie optique des fréquences optiques sans référence. Notre méthode peut également atteindre simultanément une réduction du bruit de phase de 100 fois dans un générateur de signal conventionnel. Cela correspond à une augmentation de la vitesse de transmission des communications sans fil d'environ sept fois.

La demande croissante de génération de micro-ondes à faible bruit de phase à des niveaux sans précédent dans les systèmes radar cohérents1, 2, de synchronisation phase/horloge3,8,5 et de conversion analogique-numérique à grande vitesse1, 6, 7 a créé des défis dans le domaine des micro-ondes. -les technologies photoniques8. Dans les systèmes radar, un micro-ondes de 10 GHz avec un bruit de phase ultra-faible de − 170 dBc/Hz à une fréquence de décalage de 10 kHz est nécessaire pour suivre de petits objets tels que des drones. En matière de synchronisation phase/horloge, les signaux micro-ondes à faible bruit de phase sont devenus de plus en plus importants pour le commerce électronique, comme le commerce à haute fréquence et l'horodatage fiable5, les systèmes d'alimentation électrique tels que les réseaux intelligents9 et le traitement distribué dans les centres de données. Pour une synchronisation phase/horloge plus précise10, 11, les horloges optiques, telles que les horloges à réseau optique et les horloges ioniques, ont été discutées au sein de l'UIT-T en tant que futures horloges maîtresses12. SDH (Synchronous Digital Hierarchy) et SONET (Synchronous Optical Network) sont des protocoles standards pour les réseaux de communications numériques utilisant la fibre optique. La taille de trame de base de SDH/SONET est définie comme 125 µs par trame13. La précision de fréquence des horloges maîtresses au césium actuelles est de 10-11. Si deux appareils de communication synchronisés avec des horloges maîtresses au césium différentes effectuent la lecture et l'écriture de données, l'intervalle de glissement actuel pour la lecture des signaux numériques se produit tous les 72 jours. En revanche, l’horloge à réseau optique (précision de fréquence : 10-18) peut atteindre un intervalle de glissement de deux millions d’années, ce sera donc une horloge mère sans entretien. Étant donné que les systèmes de télécommunications fonctionnent à des fréquences allant du gigahertz au kilohertz, la fréquence de l'horloge optique (sous-pétahertz) d'une horloge mère devra être convertie avec précision. Certaines méthodes de génération de micro-ondes basées sur les technologies photoniques, telles que les oscillateurs paramétriques en mode galerie de chuchotement14, la division de fréquence optique15,19,17, les oscillateurs optoélectriques18, les oscillateurs Brillouin sur puce19 et les cavités optiques de référence20, ont été rapportées. Une étude récente a montré que des micro-ondes à très faible bruit peuvent être générées avec un peigne de fréquence basé sur un laser à fibre à mode verrouillé à très faible bruit21. Cette méthode permet d'obtenir une excellente génération de micro-ondes à faible bruit à 12 GHz, mais il serait difficile de fournir aux utilisateurs finaux un appareil complexe comprenant de nombreux ensembles de grands peignes de fréquence à base de laser à fibre à faible bruit.

Dans le domaine de la métrologie des fréquences optiques, il était impossible de mesurer directement l'AOF à l'aide d'un fréquencemètre RF car la fréquence optique est environ des dizaines de milliers de fois supérieure à la fréquence des micro-ondes. Avant 1999, les compteurs AOF utilisaient une chaîne de fréquence optique22,26,24, qui mesurait les hautes fréquences en multipliant et en mélangeant séquentiellement les basses fréquences. La mesure nécessitait de nombreux lasers stables, oscillateurs micro-ondes et éléments de conversion de longueur d'onde en plus des circuits de contrôle et des outils de mesure. En 1999, le peigne de fréquence optique (OFC)25,26,27,28 est apparu, ce qui a considérablement détourné l'attention de la chaîne complexe de fréquence optique. La fréquence de la Nième dent de peigne, fN, peut être exprimée par \({f}_{ceo}+N\times {f}_{rep}\), où N, frep et fceo sont le numéro de mode de peigne, fréquence de répétition et fréquence de décalage d'enveloppe de porteuse (CEO), respectivement. Pour mesurer les AOF d'un laser de fréquence inconnue à l'aide d'un OFC, la fréquence de battement \({f}_{b}\) entre la Nième dent du peigne et le laser de fréquence inconnue est mesurée. Ainsi, \(f\), est décrit comme \({f}_{ceo}+N\times {f}_{rep}\pm {f}_{b}\). En pratique, le numéro de mode peigne N peut être déterminé en mesurant le numéro de mode peigne le plus proche de la source laser inconnue. Cela peut être fait soit en utilisant un longueur d'onde avec une précision et une exactitude suffisantes pour mesurer l'OFC dans frep/2, soit en mesurant le frep et le fb et en comptant le changement du numéro de mode peigne tout en faisant varier frep d'une grande quantité, généralement sur le ordre du MHz. La première méthode nécessite un compteur de longueur d'onde très précis et un peigne de fréquence optique comme source de référence optique, tandis que la seconde méthode ne nécessite qu'un peigne de fréquence optique comme source de référence optique. Cependant, cette dernière méthode peut être compliquée car elle nécessite un comptage précis du changement de numéro de mode en peigne tout en faisant varier considérablement la fréquence.