Óptico

Scientific Reports volume 13, Artigo número: 8750 (2023) Citar este artigo

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 diretamente AOFs com uma precisão de doze dígitos com um contador de frequência de RF, simplesmente entregando um laser de frequência desconhecida em um modulador de fase óptico. Isso poderia abrir um novo horizonte para a metrologia de frequência óptica sem referência óptica. Nosso método também pode alcançar simultaneamente uma redução de ruído de fase de 100 vezes em um gerador de sinal convencional. Isto corresponde a um aumento na velocidade de transmissão das comunicações sem fio em cerca de sete vezes.

A crescente demanda por geração de microondas de baixo ruído de fase em níveis sem precedentes em sistemas de radar coerentes1, 2, sincronização fase/relógio3,8,5 e conversão analógico-digital de alta velocidade1, 6, 7 tem criado desafios em microondas -tecnologias fotônicas8. Em sistemas de radar, um micro-ondas de 10 GHz com ruído de fase ultrabaixo de -170 dBc/Hz a uma frequência de deslocamento de 10 kHz é necessário para rastrear pequenos objetos, como drones. Na sincronização 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 carimbo de data/hora confiável5, sistemas de energia elétrica, como redes inteligentes9, e processamento distribuído em data centers. Para uma sincronização fase/relógio mais precisa10, 11, relógios ópticos, como treliça óptica e relógios iônicos, 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 utilizam fibra óptica. O tamanho básico do quadro SDH/SONET é definido como 125 µs por quadro13. A precisão da frequência dos atuais relógios mestres de césio é de 10–11. Se dois dispositivos de comunicação sincronizados com relógios mestres de césio diferentes realizam leitura e gravação de dados, o intervalo de escorregamento 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 escorregamento 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. Alguns métodos de geração de microondas baseados em tecnologias fotônicas, como osciladores paramétricos de modo de galeria sussurrante14, divisão de frequência óptica15,19,17, osciladores optoelétricos18, osciladores Brillouin no chip19 e cavidades de referência óptica20, foram relatados. Um estudo recente mostrou que microondas de ruído ultrabaixo podem ser geradas com um pente de frequência baseado em um laser de fibra bloqueado no modo de ruído ultrabaixo . Este método alcança excelente geração de microondas de baixo ruído a 12 GHz, mas seria difícil fornecer aos usuários finais um aparelho complexo compreendendo muitos conjuntos de grandes pentes de frequência baseados em laser de fibra 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 microondas. Antes de 1999, os contadores AOF usavam uma cadeia de frequência óptica22,26,24, que media altas frequências multiplicando e misturando sequencialmente baixas frequências. A medição exigiu 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, apareceu o pente de frequência óptica (OFC)25,26,27,28, que desviou drasticamente a atenção da complexa cadeia de frequência óptica. A frequência do enésimo dente do pente, fN, pode ser expressa como \({f}_{ceo}+N\times {f}_{rep}\), onde N, frep e fceo são o número do modo do 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 \({f}_{ceo}+N\times {f}_{rep}\pm {f}_{b}\). Na prática, o número do modo pente N pode ser determinado medindo o número do modo 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 pente enquanto varia muito o frep.