óptico

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8750 (2023) Citar este artigo

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Detalhes das métricas

Uma medição mais simples e precisa de frequências ópticas absolutas (AOFs) é muito importante para comunicações ópticas e sistemas de navegação. Até o momento, uma referência óptica tem sido necessária para medir AOFs com precisão de doze dígitos devido à dificuldade de medi-los diretamente. Aqui, nos concentramos em um pente de modulação eletro-óptica que pode preencher a vasta lacuna de frequência entre a fotônica e a eletrônica. Demonstramos um método sem precedentes que pode medir AOFs diretamente com uma precisão de doze dígitos com um contador de frequência de RF, simplesmente fornecendo um laser de frequência desconhecida a um modulador de fase óptica. Isso poderia abrir um novo horizonte para a metrologia de frequência óptica sem referência óptica. Nosso método também pode atingir simultaneamente uma redução de ruído de fase de 100 vezes em um gerador de sinal convencional. Isso corresponde a um aumento na velocidade de transmissão das comunicações sem fio em cerca de sete vezes.

A crescente demanda por geração de micro-ondas com baixo ruído de fase em níveis sem precedentes em sistemas de radar coerentes1, 2, sincronização de fase/relógio3,8,5 e conversão analógico-digital de alta velocidade1, 6, 7 tem criado desafios em micro-ondas -tecnologias fotônicas8. Em sistemas de radar, é necessário um micro-ondas de 10 GHz com um ruído de fase ultrabaixo de - 170 dBc/Hz a uma frequência de deslocamento de 10 kHz para rastrear objetos pequenos, como drones. Na sincronização de fase/relógio, os sinais de micro-ondas com baixo ruído de fase tornaram-se cada vez mais importantes para o comércio eletrônico, como negociação de alta frequência e marcação de tempo confiável5, sistemas de energia elétrica como redes inteligentes9 e processamento distribuído em data centers. Para sincronização de fase/relógio mais precisa10, 11, relógios ópticos, como rede óptica e relógios de íons, foram discutidos no ITU-T como os futuros relógios mestres12. SDH (Synchronous Digital Hierarchy) e SONET (Synchronous Optical Network) são protocolos padrão para redes de comunicações digitais que usam fibra óptica. O tamanho básico do quadro de SDH/SONET é definido como 125 µs por quadro13. A precisão de frequência dos relógios mestres de césio atuais é de 10 a 11. Se dois dispositivos de comunicação sincronizados com diferentes relógios mestres de césio executam leitura e gravação de dados, o intervalo de deslizamento atual para leitura de sinais digitais ocorre a cada 72 dias. Em contraste, o relógio de rede óptica (precisão de frequência: 10–18) pode fazer o intervalo de deslizamento de dois milhões de anos, portanto, será um relógio mestre livre de manutenção. Como os sistemas de telecomunicações funcionam em frequências de gigahertz a quilohertz, a frequência do relógio óptico (sub-petahertz) de um relógio mestre terá que ser convertida com precisão para baixo. Alguns métodos de geração de micro-ondas baseados em tecnologias fotônicas, como osciladores paramétricos de modo de galeria sussurrante14, divisão de frequência óptica15,19,17, osciladores optoelétricos18, osciladores Brillouin on-chip19 e cavidades de referência óptica20, foram relatados. Um estudo recente mostrou que as micro-ondas de ruído ultrabaixo podem ser geradas com um pente de frequência baseado em um laser de fibra bloqueado no modo de ruído ultrabaixo21. Este método alcança excelente geração de micro-ondas de baixo ruído em 12 GHz, mas seria difícil fornecer aos usuários finais um aparelho complexo compreendendo muitos conjuntos de pentes de frequência baseados em laser de fibra grande e de baixo ruído.

No campo da metrologia de frequência óptica, era impossível medir diretamente o AOF usando um contador de frequência de RF porque a frequência óptica é cerca de dezenas de milhares de vezes maior que a frequência de micro-ondas. Antes de 1999, os contadores AOF usavam uma cadeia de frequência óptica22,26,24, que media as altas frequências multiplicando e misturando sequencialmente as baixas frequências. A medição exigia muitos lasers estáveis, osciladores de micro-ondas e elementos de conversão de comprimento de onda, além de circuitos de controle e ferramentas de medição. Em 1999, o pente de frequência óptica (OFC)25,26,27,28 apareceu, o que desviou dramaticamente a atenção da complexa cadeia de frequência óptica. A frequência do enésimo dente de pente, fN, pode ser expressa como \({f}_{ceo}+N\times {f}_{rep}\), onde N, frep e fceo são o número do modo de pente, frequência de repetição e frequência de deslocamento de envelope de portadora (CEO), respectivamente. Para medir os AOFs de um laser de frequência desconhecida usando um OFC, a frequência de batimento \({f}_{b}\) entre o enésimo dente do pente e o laser de frequência desconhecida é medida. Assim, \(f\), é descrito como \({f}_{ceo}+N\vezes {f}_{rep}\pm {f}_{b}\). Na prática, o número do modo de pente N pode ser determinado medindo o número do modo de pente mais próximo da fonte de laser desconhecida. Isso pode ser feito usando um medidor de comprimento de onda com precisão e exatidão suficientes para medir o OFC dentro de frep/2, ou medindo o frep e fb e contando a mudança no número do modo comb enquanto varia o frep em uma grande quantidade, normalmente no ordem de MHz. O primeiro método requer um medidor de comprimento de onda altamente preciso e um pente de frequência óptica como fonte de referência óptica, enquanto o último método requer apenas um pente de frequência óptica como fonte de referência óptica. No entanto, o último método pode ser complicado, pois requer uma contagem precisa da mudança no número do modo de combinação enquanto varia o frep em uma grande quantidade.