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Ultralow-noise photonic microwave synthesis using a soliton microcomb-based transfer oscillator

Résumé

The synthesis of ultralow-noise microwaves is of both scientific and technological relevance for timing, metrology, communications and radio-astronomy. Today, the lowest reported phase noise signals are obtained via optical frequency-division using mode-locked laser frequency combs. Nonetheless, this technique ideally requires high repetition rates and tight comb stabilisation. Here, a microresonator-based Kerr frequency comb (soliton microcomb) with a 14 GHz repetition rate is generated with an ultra-stable pump laser and used to derive an ultralow-noise microwave reference signal, with an absolute phase noise level below -60 dBc/Hz at 1 Hz offset frequency and -135 dBc/Hz at 10 kHz. This is achieved using a transfer oscillator approach, where the free-running microcomb noise (which is carefully studied and minimised) is cancelled via a combination of electronic division and mixing. Although this proof-of-principle uses an auxiliary comb for detecting the microcomb's offset frequency, we highlight the prospects of this method with future self-referenced integrated microcombs and electro-optic combs, that would allow for ultralow-noise microwave and sub-terahertz signal generators.

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Peigne de fréquences optiques
vignette|Schéma représentant les caractéristiques du spectre associé à un train d'impulsions à modes bloqués, c'est-à-dire un peigne de fréquences. En pointillés rouge est représenté l'enveloppe du spectre. En bleu est représenté les composantes du spectre (les dents du peigne).|300x300px Un peigne de fréquences est la structure spectrale d'une source optique spécifique. Celle-ci est composée d'une succession de fréquences discrètes régulièrement espacées, aussi appelées les raies ou « dents » du peigne.
Amplificateur optique
En optique, on appelle amplificateur optique un dispositif qui amplifie un signal lumineux sans avoir besoin de le convertir d'abord en signal électrique avant de l'amplifier avec les techniques classiques de l'électronique. Un amplificateur à fibre dopée fonctionne à la manière d'un laser. Une portion de fibre optique est dopée et est pompée optiquement avec un laser afin de placer les ions de dopage dans un état excité.
Blocage de mode
Le blocage de mode ou verrouillage de mode désigne une technique de synchronisation de la phase des modes laser destinée à produire de courtes et intenses impulsions lumineuses. Le blocage de mode est réalisé à l'aide de différents éléments optiques : colorant à absorbant saturable, modulateur acousto-optique, cellule de Pockels... La principale application du blocage de mode est la réalisation de laser femtoseconde. Les premiers lasers à colorant délivrant de courtes impulsions sont apparus dans les années 1970, mais les impulsions qu'ils délivrent ne sont pas suffisamment stables .
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