CERO テクノロジ

Zero f(CEO)

周波数コムはいかなる状況においても安定かつ信頼性の高いものであるべきと私たちは考えます。

周波数コムは実験を支える堅牢で信頼性の高い基盤です。この考え方が当社の周波数コム製品の開発を導いています。またこの考えは、本来の研究により多くの時間を費やし、システムの保守にかかる時間をできるだけ減らしたいと考えるお客様と共有しているビジョンでもあります。

CERO テクノロジ – zero f(CEO)

受賞歴のある当社のCEROテクノロジにより、本質的にfCEOが安定した周波数コムの設計が可能となり、堅牢性・信頼性・そして最高レベルの安定性を同時に兼ね備えることを実現しました。TOPTICAの差周波数コム（Difference Frequency Com：DFC）では各光パルスに対して差周波発生（DFG）プロセスを利用することで、オフセット周波数 fCEO を受動的にゼロに固定しています。これによりコム方程式は

fn = fCEO + n · frep

という簡潔なかたちとなり、光学実験において次のような複数の利点をもたらします。

光学リファレンスへの完全なロッキング

DFG（差周波発生）プロセスによってfCEO をゼロに固定することで、周波数の原点において極めて低いノイズを実現し、fCEOと frep を完全に独立させることができますこれは狭線幅レーザーなどの光学基準（optical reference）にコムを安定化させる場合に特に大きな利点となります。またこの場合、コム発振線の周波数は 0 Hz において強固にロックされ、さらに光学基準によって 数百THzの高い光周波数領域でも同時にロックされます。

この点においてCERO技術は従来の f-to-2f コム方式に対して明確な技術的優位性を持っています。なぜならfCEOの高周波ノイズ成分も同時にキャンセルすることができるためです。この結果、すべてのコム発振線は光学基準の位相ノイズ特性を完全に継承します。またコムの原点を 0 Hz に固定することでコム方程式が簡潔になり、レーザーの絶対周波数を極めて高精度に決定することが可能になります。

fLaser = fCEO + n⋅frep ± fBeat

超低ノイズ & 超狭線幅

CEROテクノロジではオフセット周波数fCEOを安定化するために、受動的な全光学式の位相ロック機構を用いています。この方式により当社のコムシステムは従来の f-2f コムと比較して、電子的なロックループを1つ少なくすることができます。その結果TOPTICAの周波数コムではfCEOに電子ノイズ（高周波領域を含む）が含まれず、過去に類を見ない低キャリアエンベロープ位相（CEP）ノイズと、非常に狭いフリーランニング線幅を実現しています。

これらの特性によりTOPTICA の DFC CORE+ は線幅や位相ノイズに対して厳しい要求を持つアプリケーションに完全に対応することが可能です。

ノイズ低減を100倍高速化

受動的な全光学式ロック機構を利用することでDFC CORE+ のfCEOロック帯域幅は最大 200 MHz に達します。その結果、電子的なfCEO安定化の帯域幅によって制限される従来の f-2f コムと比較して、100倍高速に摂動やノイズを抑制することができます。これによりTOPTICA の差周波数コム（Difference Frequency Comb）は外部環境の影響に対してより高度な耐性を持ちます。

さらに、CEROテクノロジによりロックループが1つ少ないシンプルなコムシステムを実現できます。このためロッキングエラーが発生しにくく日常的な運用においてより高い信頼性を提供します。

CEROテクノロジの動作原理

 

The operating principle of the offset-free Difference Frequency Comb (DFC) relies on generating a broadband supercontinuum from the output of a low noise Er-fiber mode-locked oscillator and subsequent optical difference frequency generation (DFG) between the low- and high-frequency parts of the octave spanning spectrum in a nonlinear crystal. The most important features are an improved stability and a more simple and reliable, all passive frequency offset stabilization. The comb is free from fluctuations of the offset-phase and offset-frequency due to the common mode suppression of the two parts of the original spectrum. Additionally, the carrier envelope offset frequency fCEO of the DFC is fixed to zero.

オフセットフリーの差周波数コム（Difference Frequency Comb：DFC）の動作原理は、まず低ノイズのErファイバーモードロック発振器の出力から広帯域スーパーコンティニュームを生成し、その後オクターブにわたるスペクトルの低周波側と高周波側の成分の間で光学的差周波発生（DFG）を非線形結晶を用いて行うことに基づいています。

この方式の最も重要な特徴は、安定性の向上と、よりシンプルで信頼性の高い完全受動型の周波数オフセット安定化を実現できる点です。元のスペクトルの2つの成分において共通モード抑制が働くため、コムはオフセット位相およびオフセット周波数の揺らぎから解放されます。さらにDFCのキャリアエンベロープオフセット周波数 fCEOはゼロに固定されます。

主なプロセス：

  • Er³⁺ファイバー発振器と非線形ファイバーを用いた広帯域スーパーコンティニュームの生成

  • 非線形結晶内でスーパーコンティニュームの低周波側と高周波側スペクトルの間で差周波発生を実施

  • 両スペクトル成分は同一のを持つ

  • 生成されるコムはキャリアエンベロープ位相（CEP）安定化されfCEOはゼロに固定

  • TOPTICA特許：DE102004022037

受動的な全光学式fCEO安定化は、従来の f-to-2f 干渉計方式と比較して明確な利点を持っています。この点は周波数計測分野の主要研究者によっても明確に指摘されています（Krauss et al., Opt. Lett, 36, 540 (2011)）。受動安定化の最大の利点は、電子ノイズによる制限を受けないことです。さらにキャリアエンベロープオフセットビートのアライメントや複雑なドリフト補償が不要であり、またキャリアエンベロープオフセットをロックするための電子回路が不要なため、電子系の構成を大幅に簡素化できます。このシステムで調整が必要なパラメータはDFCの繰り返し周波数（repetition rate）のみです。この繰り返し周波数は、適切な無線周波数（RF）基準に容易に安定化することができます。

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