Experimental Implementation of a Fiber Noise Cancellation System for Slow Light Laser Locking

Abstract

An electromagnetic wave propagating through an optical fiber is sensitive to external disturbances, such as mechanical vibrations and temperature and pressure fluctuations, which add phase noise onto the wave. For high-precision frequency-based applications this phase noise has to be removed. By partially reflecting light from the remote end of the fiber back through the fiber, and comparing it to light that has not passed through the fiber, their beat note can be phase locked to a stable reference, using an acousto-optic modulator for phase noise compensation. This effectively cancels the phase noise at the remote end of the fiber. In this project, two such fiber noise cancellation systems have been successfully assembled. The fiber noise cancellation systems will be used for laser locking to a slow light crystal cavity. Using spectral hole burning, a very low group velocity can be obtained in rare-earth-ion-doped crystals. By depositing mirrors on such a crystal, it could act as a reference cavity with a very long effective length, but without the increased difficulty of isolating the cavity from mechanical vibrations associated with a physically long cavity. By locking a laser to a slow light crystal cavity, an improved stability could potentially be achieved. A possible setup for slow light crystal cavity laser locking experiments, where the fiber noise cancellation systems have been integrated, is also presented in this thesis.

Popular Abstract (Swedish)

Atomur som är baserade på en optisk frekvens är under utveckling. Dessa optiska klockor är i dagsläget så exakta att om de startades vid big bang, så skulle de bara visa en sekund fel idag. Nästa generations kommunikation- och navigeringssystem kommer att dra nytta av noggrannare tidsmätning. I detta examensarbete behandlas två saker som är viktiga för den fortsatta utvecklingen av optiska klockor: laserstabilisering och eliminering av fasbrus i optiska fiber.

Optiska klockor tar för tillfället upp hela labb och är alltså inte lätta att transportera. Det behövs därför ett sätt att noggrant kunna jämföra klockorna över långa avstånd. Detta kommer troligtvis göras med ett nätverk av optiska fiber. När laserljus färdas genom ett optiskt fiber påverkas det av yttre störningar som vibrationer och förändringar i temperatur och tryck, vilket får längden på fibern att ändras. Detta leder till att ljuset blir brusigt, och ljus som var väldigt enfärgat innan fibern, kommer då bestå av ett bredare spektrum av färger efter fibern. För applikationer som till exempel optiska klockor, där det är önskvärt att kunna överföra väldigt enfärgat ljus med optiska fiber, så behövs detta fiberbrus kompenseras bort. En metod för att göra detta, är att man skickar tillbaka en liten del av ljuset som har färdats genom fibern, och jämför det med ljus direkt från lasern. På detta sätt kan man mäta hur mycket brus som fibern adderar till laserljuset. Det är då möjligt att kompensera för bruset redan innan fibern, så att ljuset ut ur fibern blir brusfritt. I detta examensarbete har två system som gör just detta byggts. Dessa systemen kommer inte att användas för att jämföra klockor, utan för framtida experiment om laserstabilisering till en långsamtljus-kavitet, där det också är viktigt att kunna transportera brusfritt ljus i optiska fiber.

I optiska klockor jämför man frekvensen på en laser med oscillationsfrekvensen för en specifik atom. Genom att hålla laserns frekvens så nära atomens frekvens som möjligt och sedan räkna svängingar för laserljuset, så kan tid mätas. Detta kan jämföras med att räkna svängningarna för en pendel. En laser som konstant ger samma frekvens är därför viktig för optiska klockor. För många lasertyper är det möjligt att kontrollera frekvensen på laserljuset med en elektrisk signal. Genom att mäta frekvensen, kan alltså en lämplig kontrollsignal skickas till lasern, så att ljuset ut från den så nära som möjligt håller sig på samma frekvens. Denna frekvensmätning är ofta gjord med en optisk kavitet, vilket är två speglar som är noggrant riktade mot varandra. Ljus som skickas mot kaviteten kommer antingen att reflekteras tillbaka samma väg som det kom ifrån, eller passera genom kavitet. Om ljuset reflekteras eller passerar beror väldigt starkt på ljusets frekvens, och detta kan då användas för att mäta frekvensen. För att så noggrant som möjligt kunna mäta ljusets frekvens, är det viktigt att längden på kaviteten, alltså avståndet mellan de två speglarna inte ändras. För om längden på kaviteten ändras, så ändras också frekvenserna där ljuset tillåts passera kaviteten. I teorin är det fördelaktigt med en så lång kavitet som möjligt. I praktiken visar det sig dock vara svårt att isolera en lång kavitet från mekaniska vibrationer som får kavitetens längd att ändras. Långsamt ljus skulle kunna användas för att undgå detta problem. I kristaller där joner av så kallade sällsynta jordartsmetaller har tillsats vid tillverkningen, är det möjligt att minska ljushastigheten avsevärt. Genom att sätta speglar på ändarna av en sådan kristall, så har nu en långsamtljus-kavitet skapats. Den kraftigt sänkta ljushastigheten får en sådan kavitet att bete sig som en lång kavitet, fast utan den extra svårigheten med att otroligt väl behöva isolera kaviteten från mekaniska vibrationer, som tillkommer för en fysiskt lång kavitet. I detta examensarbete presenteras en möjlig uppställning för laserstabilisering till en långsamtljus-kavitet.

• author: Bengtsson, Alexander
• supervisor: Lars Rippe
• organization: Atomic Physics; Particle and nuclear physics
• course: PHYM01 20171
• year: 2017
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Optical Fibers, Fiber Noise Cancellation, Laser Stabilization, Slow Light Laser Locking
• language: English
• id: 8916462
• date added to LUP: 2017-06-16 15:29:53
• date last changed: 2017-06-16 15:29:53