Sorgente laser ultrastabile a 1,5 μm e link ottico per il confronto remoto al subfemtosecondo di orologi atomici

This work describes the research activity for the realizationof a 1542 nm ultrastable laser source carried out at the Optic Division of the Italian Metrology Institute (INRiM). This laser source will be used for the development of optical frequency metrology transfer systems based on a fiber optical link for a subfemtosecond remote comparison between atomic clocks. Latest frequency standards are based on optical atomic transitions and can reach, in terms of relative frequency, better accuracy and stability than microwave primary standards. The relative stability of the radiation used to stimulate atomic transitions with 10^18 quality factor must be better than 10^-15 at 1 s integration time, and a highly coherent fiber system is needed to faithfully transfer optical signals with 10^-16 relative stability at 1 s integration time to remote sites, as the resolution provided by state of the art satellite techniques is still unsufficient for most applications. INRIM is working at a project with the aim to put up ultrastable laser sources with 10^-15 relative stability at 1 s integration time and to develop an optical link based on an ordinary telecommunication optical fiber network, to coherently transmit optical frequency standards with subfemtosecond instability. During my collaboration, we stabilized a 1542 nm frequency-tunable fiber laser with 1 kHz linewidth by locking it to a Fabry-Pérot etalon, using the Pound-Drever-Hall phase modulation technique. This method guarantees relative stabilites of 10^-15 at short integration times. We reached 5*10^-14 relative instability at 1 s integration time; after this measurement we improved the frequency stabilization system and by using an active temperature control at the μK level, which has already been demonstrated, we expect to reach even better stabilities. We also developed a demonstration of optical link using 100 km commercial fiber spools in the lab, with the aim to extend the link to other national and international labs. French and German labs have demonstrated relative stabilities better than 10^-15 over commercial fiber networks by compensating the phase noise induced by the optical fiber due to thermal and mechanical vibrations and other environmental factors. Our system reaches relative stability of 8*10^-16 at 1 s integration time and 2*10^-17 at 2000 s. We are carrying out a full characterization of the system to further improve the performances and to extend the link.

In questa tesi si descrive l'attività sperimentale svolta presso la divisione di Ottica dell'INRiM, finalizzata alla realizzazione di una sorgente laser ultrastabile a 1542 nm da utilizzare in ambito metrologico per lo sviluppo di campioni atomici di frequenza e di un sistema per il confronto remoto di questi. Tali tecniche sono richieste, in campo metrologico, dallo sviluppo di campioni ottici di frequenza, che consentono di raggiungere accuratezza e stabilità relative maggiori rispetto ai tradizionali campioni a microonde. Gli orologi ottici hanno quale riferimento di frequenza una transizione atomica nel visibile fortemente proibita, con larghezza naturale di riga sub-Hertz. Per eccitarla è necessario un laser a elevata stabilità, di larghezza di riga confrontabile con quella atomica. Oggi, lo stato dell'arte offre laser con stabilità relativa pari a 10^-15 a 1 s e larghezza di riga di pochi Hz. Inoltre, per il confronto remoto fra questi campioni è necessario un sistema di trasferimento che non degradi la stabilità del segnale ottico. Sistemi di trasferimento in fibra ottica (link ottici) recentemente realizzati nei laboratori metrologici francesi e tedeschi hanno dimostrato la possibilità di raggiungere l'obiettivo. In questo contesto, ho collaborato alla realizzazione di una sorgente ultrastabile a 1,5 μm. La stabilizzazione è ottenuta agganciando la frequenza di emissione di un laser in fibra a 1542 nm, accordabile in frequenza, ad uno dei modi di risonanza di una cavità ottica in vetro ULE di tipo Fabry-Perot mediante la tecnica di modulazione di fase di Pound-Drever-Hall. La cavità è isolata termicamente dall'ambiente esterno e meccanicamente per mezzo di un accurato sistema di sospensione. Allo stato attuale questa tecnica permette di raggiungere nel breve termine stabilità relative di 10^-15. Durante l'attività di tesi è stata completata la realizzazione della sorgente e ne è stata effettuata la caratterizzazione, ottenendo una stabilità relativa di 6*10-14 su tempi di integrazione di 1 s. Lo sviluppo futuro prevede la realizzazione di un sistema di controllo attivo della temperatura ed il miglioramento delle prestazioni del sistema. Per quanto riguarda lo sviluppo del link ottico, una stabilità elevata su confronti remoti è subordinata non soltanto alla stabilizzazione della sorgente, ma anche alla messa a punto di un adeguato sistema di controllo che compensi il rumore di fase generato all'interno della fibra in seguito alle fluttuazioni termiche e meccaniche dovute a fattori ambientali. I progetti realizzati a livello europeo hanno consentito il trasferimento di segnali di frequenza con stabilità relative superiori a 10^-15 su distanze di centinaia di km. Durante la tesi, si è realizzato un sistema che utilizza 100 km di fibra ottica presenti in laboratorio. Le prestazioni dell'esperimento a oggi sono una stabilità relativa del link ottico pari a 8*10^-16 per periodi di integrazione di 1 s e di 2*10^-17 per periodi di integrazione di 2000 s, pertanto consentono il trasferimento di frequenze ottiche con questo livello di stabilità relativa. Lo sviluppo successivo prevede la caratterizzazione completa del sistema, finalizzata al miglioramento della stabilità raggiungibile, e la realizzazione di un link esterno che possa collegare l'INRiM con altri laboratori nazionali (Laboratorio Europeo di Spettroscopie non lineari-LENS, Firenze) ed europei.