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Peignes de fréquences optiques pour génération micro-onde à très bas bruit de phase Romain Bouchand 1 , Xiaopeng Xie 1 , Daniele Nicolodi 1 , Michel Lours 1 , Michele Giunta 2 , Wolfgang Hänsel 2 , Matthias Leziu s s, Ronald Holzwarth 2 , Abhay Joshi 3 , Shubhashish Datta 3 , Christophe Alexandre 4 , Pierre-Alain Tremblin 5 , Giorgio Santarelli 5 et Y. Le Coq 1 , 1 LNE-SYRTE, CNRS, Observatoire de Paris, UPMC, PSL*, France 2 MenloSystems GmbH, Germany 3 Discovery Semiconductor, NJ, USA 4 CNAM, laboratoire Cedric, France 5 LP2N, Institut d'Optique, Univ. Bordeaux 1, Talence, France

Peignes de fréquences optiques pour génération micro-onde … · Peignes de fréquences optiques pour génération micro-onde à très bas bruit de phase Romain Bouchand1, Xiaopeng

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Page 1: Peignes de fréquences optiques pour génération micro-onde … · Peignes de fréquences optiques pour génération micro-onde à très bas bruit de phase Romain Bouchand1, Xiaopeng

Peignes de fréquences optiques pour génération micro-onde à très bas bruit de phase

Romain Bouchand1, Xiaopeng Xie1, Daniele Nicolodi1, Michel Lours1, Michele Giunta2, Wolfgang Hänsel2, Matthias Leziuss, Ronald Holzwarth2, Abhay Joshi3,

Shubhashish Datta3, Christophe Alexandre4, Pierre-Alain Tremblin5, Giorgio Santarelli5 et Y. Le Coq1,

1LNE-SYRTE, CNRS, Observatoire de Paris, UPMC, PSL*, France2 MenloSystems GmbH, Germany 3 Discovery Semiconductor, NJ, USA 4 CNAM, laboratoire Cedric, France5 LP2N, Institut d'Optique, Univ. Bordeaux 1, Talence, France

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Low-noise µwave : motivation

Existing very low -noise µ-wave sources (~10GHz):- Room temp Sapphire osc.

(Raytheon, formerly Poseidon Australia): -40dBc/Hz @ 1Hz, -170dBc/Hz @ 100kHz from carrier

- Cryogenic Sapphire oscillator (UWA, FEMTO-ST, ULISS): -100dBc/Hz @1Hz, -140dBc/Hz @ 100kHz from carrier

- Opto Electronic Oscillator (JPL/OEwaves): -40dBc/Hz@1Hz, -160dBc/Hz @ 10kHz (large resonances after that)

Applications: - atomic frequency standards - radar - VLBI - synchronization of particle accelerators - time reference distribution - telecommunication- …

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Frequency division, effect on phase noise

V

2 3

Exemple : divide by 2

fc [Hz] → fc/N [Hz] then → /N [rad] S(f) [dBc/Hz] → S(f)–20.log10(N) [dBc/Hz]

Large noise reductionif N is large…

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Frequency division, effect on phase noise

V

2 3

Exemple : divide by 2 Dephasing → time delay t=/(2fc)

Large noise reductionif N is large…

fc [Hz] → fc/N [Hz] then f → f/N [rad] S(f) [dBc/Hz] → S(f)–20.log10(N) [dBc/Hz]

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Frequency division, effect on phase noise

V

2 3

Exemple : divide by 2 Dephasing on fc→ time delay t=/(2fc)

time delay t=/(2fc) on fc/2→ dephasing ’ =/2 on fc/2

Time/phase

Large noise reductionif N is large…

fc [Hz] → fc/N [Hz] then f → f/N [rad] S(f) [dBc/Hz] → S(f)–20.log10(N) [dBc/Hz]

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USL transferred to µ-wave (projection)

-noise of a 10 GHz carrier obtained by frequency division of the space-prototype USL at 200THz (SODERN/CNES/SYRTE), by a frequency comb, assuming perfect division

A robust 4.5x10-16 (@1s) level USL cavity (designed following space industry standards and methods) 10cm long cavity with rings

Prototype designed for transport +/-10g and operation at zero-2gCurrently existing lab prototype

Opt. Express 20, 25409 (2012)

200 THz (=1.5µm)

10 GHz

-noise → -20.log(20000) = -86dB (!!!)

Opt. Freq. comb

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Low noise µ-wave generation with comb(optical frequency divider scheme)

f0 not locked → virtual comb with f0=0

Detection of rep rateharmonic @ m.frep

x2

Synthesizer

Phase-lock loop

Fast actuator

PDH

Laser

7

Applied Physics Letters 94, 141105 (2009)Opt. Letters 34, 3707 (2009)

 

 

cst~800MHz

~10 GHz

0f

repl Nf

0f

THzl 200~

0fNf repn

0fNff replb

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PZT

/4

/4/2

/4 /2Pump 1

Pump 2

EOM

V

mirror

IEEE UFFC 59, 432 (2012) also Newbury et al. Opt.Lett. 34, 638 (NIST)also Hong et al. Opt. Exp. 18, 1667 (NMIJ)

BW>1MHz

WHY ?large feed-back BW difficult for Er fs lasers - pump diode current : rather low response, ~100kHz max BP (with good phase-advance electronics…) - PZT : resonances ~40kHz BWFree-running high Fourier frequency phase noise is hard to kill with phase-locking

HOW ? (in coll. with MenloSystems)-Add a fast actuator (EOM) in the fs laser cavity-Used as a voltage-controlled group delay actuator(index <n> controlled by V ; linear polarization)- Good alignment to decrease cross-talks (via polarization and amplitude)

(Note : no output coupler represented here)

Er-fibre comb with intra-cavity EOM

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Increase SNR for lower white phase noise floorThermal noise (Johnson-Nyquist) :

A 0 dBm µ-wave signal cannot have a white phase noise limit better than -177dBc/Hz Solution : increase µ-wave power

• higher optical power+more linear PD(in coll. with Discovery semiconductor)

• high rep rate fs laser / external rep rate multiplication → less power in undesired harmonics,

more in the harmonic of interest

2G 4G 6G 8G 10G 12G-50

-40

-30

-20

-10

0

2G 4G 6G 8G 10G 12G-50

-40

-30

-20

-10

0

mic

row

ave

pow

er [

dBm

]

Frequency [Hz]

(a)

(b)

2 combs 2 MZM 2 PD (excess phase noise to investigate)

1 combs 2 MZM 2 PD

Differential phase noise (common USL)

Optics Letters 36, 3654 (2011)

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AMPM conv. in frep and harmonics photodetectionamplitude fluctuations of the fs laser induce fluctuations of phase of frep

(and its harmonics) → possible to lock amplitude (but only at low Fourier frequencies) 1.2x10-16@1s generated µwave / 100as synchro → or analyze carefully the physics…

Time response of a PD for a ~fs light pulse 3.2 to 64 pJ

By space-charge screening effect, close to saturation, the PD response is asymmetric → AM noise produces PM noise

For harmonic order >1 there are special situations…

10

App. Phys. Lett. 96, 211105 (2010)

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Suppression of AMPM conversion

Applied Physics B 106, 301 (2012)Optics Letters 39, 1204 (2014)

11

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Suppression of RIN

12

Active servo to reduce RIN

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Suppression of RIN

13

Rejection of AM effect on PM by >50dB !

Effect of RIN on PM < -200dBc/Hz at 10kHz from carrier

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-noise Measurement method

At very low phase noise, cross-correlation is the technique of choice BUT trickyMost commercial systems are homodyne → relatively high sensitivity to AM→ We developped our own heterodyne system

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-noise Measurement method (development setup)

● Auxiliary sources are ~ good enough at high Fourier frequency and trivial to operate

● Cross-corelating away their noise takes time, and ways too much time for low Fourier frequencies → not useful for caracterizing noise frequencies < 1kHz

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-noise Measurement method (development setup)

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-noise Measurement method (Full setup)

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-noise Measurement method (Full setup result)

-104 dBc/Hz @ 1Hz-172 dBc/Hz @ 10kHz and beyond From a 12 GHz carrier

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-noise result analysis

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ConclusionRecord ultra-low phase noise 12 GHz signal generation -104 dBc/Hz at 1 Hz

-172 dBc/Hz at 10 kHz

Phase noise characterization by a heterodyne FPGA-based cross-correlation scheme

Noise floor below:-180 dBc/Hz

PDH

Comb

CW laser

HLPD

Electrical spectrum

A comb is 3U 19” rack-size (and plane/ space qualified...), USL is larger (size of a H-maser, typically) and “only” ~10-15 (ie ~-100dBc/Hz) → we are seeking better and/or more compact cw lasers for referencing the comb→ we are seeking in-field applications ...