Advances in frequency metrology with optical frequency combs

Giunta, Michele (2026): Advances in frequency metrology with optical frequency combs. Dissertation, LMU München: Faculty of Physics

Abstract

This thesis summarises the most relevant activities I have performed over the course of my doctoral work, predominantly focused to advance the Optical Frequency Comb (OFC) stability and relative accuracy to support state-of-the-art and steadily improving optical clocks, and extracting high-fidelity, low phase noise microwave signals. The work outlined here took place mainly at Menlo Systems GmbH (throughout the text simply referred to as Menlo), for which I have been working for 12 years at the time of the defense of this thesis. Luckily, from 2015, I could combine some of the development efforts and activities to the interest of pursuing a doctoral work in the group of Prof. Dr. Theodor W. Haensch and Prof. Dr. Thomas Udem at the Max Planck Institute for Quantum Optics, while maintaining my full time position as a developer at Menlo. Several of the activities herein reported have been conducted in collaboration with SYRTE (Paris) and PTB (Braunschweig), respectively the national metrological institutes of France and Germany, at RIKEN in Wakoshi (Tokyo, Japan) and at JILA/NIST in Boulder (Colorado, USA). I joined the R&D team while a new type of femtosecond fiber-based laser (the figure9 - a trademark of Menlo Systems GmbH, registered on the 16.09.2014) was under development, contributing to its finalization and characterization. Besides some engineering work on that front (namely contributing to the space-comb activities carried out at Menlo), my main focus remained on the understanding and mitigation of noise in fiber-based OFCs. Characterizations for the short- and long-term performance of the so-called ultra-low-noise frequency comb have been conducted. A large portion of my work was to achieve and demonstrate spectral purity transfer with OFCs below 1E-19 relative stability and uncertainty, such to permit optical clocks operation and their intra- and inter-comparisons below 1E-18. Specifically, the goal was to support the two leading groups with respect to optical lattice clocks, Prof. Hidetoshi Katori at University of Tokyo and principal investigator at RIKEN and Prof. Jun Ye at JILA. More specifically, at RIKEN the focus was to ensure that the developed OFC would not hinder inter-comparison of optical frequency standards. The conception, development and qualification of the system was carried out at Menlo, while at RIKEN a ratio measurement between neutral ytterbium-based and strontium-based optical frequency standards was performed. The OFC could suffice the goal, but for a specific type of configuration of the comb, namely the multi-branch configuration, phase drifts among the different optical branches were still observed and measured. Consequently, a new method for compensating phase drifts and further improving the fidelity of the comb has been introduced and demonstrated. Meanwhile, at PTB and JILA, a novel class of ultra-stable lasers was developed, reaching fractional stabilities in the mid-1E-17, linewidth of only less than 10 mHz with >10 s coherence time, and operating at 194 THz (typical telecom-grade frequency). Such level of performance is required at around 429 THz, the Sr lattice clock transition frequency. To suffice the task to transfer this unprecedented spectral purity from 194 THz to 429 THz, I worked on developing and constructing a single-branch OFC. First I have proven the fidelity transfer capabilities at Menlo with optical frequency measurements and comparisons against other combs, and then installed the apparatus at JILA for enabling precision spectroscopy on the Sr clock transition. Concurrently, another related project has been the synthesis of photonic microwave signals via frequency division employing the ultra-low-noise comb. Such activity was carried out, for the proof-of-principle phase, together with Dr. Yann Le Coq and Dr. Giorgio Santarelli based respectively at SYRTE, Paris and at the Institut d'Optique, Bordeaux, and other partners for the fabrications of high performance and high speed photodiodes, capable of handling high average power while maintaining high linearity. The framework of this project, named P$\mu$recomb, was the Program in Ultrafast Laser Science and Engineering (PULSE), financed by the Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). After the synthesis and measurement of the lowest phase noise microwave carrier signal produced to date, I have been focusing on the conception and the system engineering of a compact and transportable photonic microwave oscillator. - The first chapter provides an overview of basic time and frequency metrology concepts and definitions. After describing one of the sources of inspiration for the invention of the frequency comb, namely the spectroscopy of neutral atomic hydrogen, a technical description of the OFC is drawn, explaining its central role for the optical frequency metrology. - The second chapter is dedicated to the description of the ultra-low-noise OFC. The so-called figure-9 femtosecond fiber laser is described, as much as its stabilization for the intended applications. Measurements of the residual phase noise in terms of in-loop and out-of-loop will be provided, together with a first long-term frequency comb comparison for assessing the level of stability reachable by this measurement instrument. - The third chapter is dedicated to the activities related to optical lattice clocks. A comprehensive upper limit instability and uncertainty assessment on frequency measurements when comparing two OFCs is presented. In this section the idea of the optical phase tracking for constantly render frequency offsets during optical precision measurements is provided. The results achieved in the spectral purity transfer for the Yb/Sr lattice clocks ratio measurements performed at RIKEN is described. Consequently, a Doppler compensation technique developed during this work and called dichroic heterodyne detection is presented. Furthermore, I describe the qualification measurements for the transfer of purity from 194 THz up to 429 THz for the operation of the strontium lattice clocks at JILA, and the results achieved on their clocks using such spectral purity transfer technique. - The fourth chapter is dedicated to the work on the photonic synthesis of ultra-stable microwave signals. It starts describing the proof-of-principle activities and it ends encompassing the work towards the compact photonic microwave oscillator developed and delivered to NIST within the framework of the Purecomb project. - The last chapter concludes summarizing the achieved results and providing a perspective shared by the community of the users of the technology developed over the course of this thesis.

Abstract

Diese Arbeit fasst die relevantesten Aktivitäten zusammen, die ich im Laufe meiner Doktorarbeit durchgeführt habe. Der Schwerpunkt lag dabei auf der Verbesserung der Stabilität und relativen Genauigkeit von optischen Frequenzkämmen (im Englischen Optical Frequency Comb OFC), um selbst die modernsten und immer weiter verbesserten optischen Uhren in der Ableitung von hochpräzisen Mikrowellensignalen mit geringem Phasenrauschen nicht zu begrenzen. Die hier beschriebenen Arbeiten wurden hauptsächlich bei der Menlo Systems GmbH (im Weiteren Text als Menlo bezeichnet) durchgeführt, für die ich zum Zeitpunkt der Verteidigung dieser Dissertation seit 12 Jahren tätig bin. Glücklicherweise konnte ich ab 2015 einige der Entwicklungsarbeiten und -aktivitäten mit der Erarbeitung der vorliegenden Dissertation in der Gruppe von Prof. Dr. Theodor W. Hänsch und Prof. Dr. Thomas Udem am Max-Planck-Institut für Quantenoptik verbinden, während ich meine Vollzeitstelle als Entwickler bei Menlo beibehalten konnte. Einige der hier beschriebenen Aktivitäten wurden in Zusammenarbeit mit SYRTE (Paris) und der PTB (Braunschweig), den nationalen Metrologieinstituten Frankreichs und Deutschlands, am RIKEN in Wakoshi (Tokio, Japan) und am JILA/NIST in Boulder (Colorado, USA) durchgeführt. Ich trat dem Forschungs- und Entwicklungsteam bei, als ein neuartiger Femtosekunden-Faserlaser (figure9) entwickelt wurde, und trug zu dessen Fertigstellung und Charakterisierung bei. Neben einigen technischen Arbeiten in diesem Bereich (nämlich der Mitwirkung an den bei Menlo durchgeführten Space-Comb-Aktivitäten) lag mein Hauptaugenmerk weiterhin auf dem Verständnis und der Verringerung des Rauschens in faserbasierten OFCs. Hierzu wurden Charakterisierungen der Eigenschaften des sogenannten ultra-rauscharmen optischen Frequenzkamms sowohl auf kurzen als auch auf langen Zeitskalen durchgeführt. Ein großer Teil meiner Arbeit bestand darin, einen Transfer der spektralen Reinheit mit OFCs unterhalb von 1E-19 relativer Stabilität und Unsicherheit zu erreichen und zu demonstrieren, um den Betrieb von optischen Uhren und deren Vergleich unterhalb von 1E-18 zu ermöglichen sowohl für Uhren basierend auf gleichen Spezies und Übergängen, als auch für den Vergleich verschiedener optischer Uhren. Konkret war es das Ziel, die beiden führenden Gruppen im Bereich der optischen Gitteruhren unter Prof. Hidetoshi Katori von der Universität Tokio und Hauptforscher am RIKEN sowie unter Prof. Jun Ye vom JILA zu unterstützen. Genauer gesagt lag der Schwerpunkt am RIKEN darauf, sicherzustellen, dass der entwickelte OFC den Vergleich zwischen optischen Frequenznormalen nicht limitiert. Die Konzeption, Entwicklung und Qualifizierung des Systems erfolgte bei Menlo, während am RIKEN eine Verhältnismessung zwischen optischen Frequenznormalen auf Ytterbium- und Strontiumbasis durchgeführt wurde. Der OFC erwies sich als nicht limitierend, aber bei einer bestimmten Art der Konfiguration des Kamms, nämlich bei Nutzung verschiedener optischer Zweige, wurden weiterhin Phasenverschiebungen zwischen den beteiligten Zweigen beobachtet und gemessen. Daher wurde eine neue Methode zur Kompensation von Phasenverschiebungen und zur weiteren Verbesserung der Genauigkeit des Kamms eingeführt und demonstriert. In der Zwischenzeit wurde an der PTB und am JILA eine neuartige Klasse ultrastabiler Laser entwickelt, die eine Stabilität im mittleren 1E-17-Bereich, eine Linienbreite von weniger als 10 mHz mit einer Kohärenzzeit von >10 s und eine Betriebsfrequenz von 194 THz (was einer typischen optischen Frequenz in der Telekommunikation entspricht) erreichen. Ein solches Leistungsniveau ist jedoch bei etwa 429 THz, der Übergangsfrequenz der Sr-Gitteruhr, erforderlich. Um diese beispiellose spektrale Reinheit von 194 THz auf 429 THz übertragen zu können, arbeitete ich an der Entwicklung und Konstruktion eines einarmigen OFC. Zunächst habe ich die Übertragungsgenauigkeit bei Menlo mit optischen Frequenzmessungen und Vergleichen mit anderen Kämmen nachgewiesen und dann die Anlage am JILA installiert, um eine Präzisionsspektroskopie des Sr-Uhrenübergangs zu ermöglichen. Ein weiteres verwandtes Projekt war die Synthese von photonischen Mikrowellensignalen mittels Frequenzteilung unter Verwendung des extrem rauscharmen Kamms. Diese Aktivität wurde in der Proof-of-Principle-Phase gemeinsam mit Dr. Yann Le Coq und Dr. Giorgio Santarelli, die jeweils am SYRTE in Paris und am Institut d'Optique in Bordeaux tätig sind, sowie mit anderen Partnern für die Herstellung von sehr schnellen Hochleistungs-Fotodioden durchgeführt, die eine hohe Durchschnittsleistung bei gleichbleibend hoher Linearität verarbeiten können. Der Rahmen für dieses Projekt mit dem Namen Purecomb war das Program in Ultrafast Laser Science and Engineering (PULSE), das von der Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) finanziert wurde. Nach der Synthese und Messung des erzeugten Mikrowellen-Trägersignals, welches das geringste bisher demonstrierte Phasenrauschen aufwies, habe ich mich auf die Konzeption und Auslegung eines kompakten und transportablen photonischen Mikrowellenoszillators konzentriert. - Das erste Kapitel bietet einen Überblick über grundlegende Konzepte und Definitionen der Zeit- und Frequenzmesstechnik. Nach einer Beschreibung einer der Inspirationsquellen für die Erfindung des Frequenzkamms, nämlich der Spektroskopie von neutralem atomarem Wasserstoff, folgt eine technische Beschreibung des OFC, in der dessen zentrale Rolle für die optische Frequenzmesstechnik erläutert wird. - Das zweite Kapitel widmet sich der Beschreibung des extrem rauscharmen OFC. Der sogenannte Figure-9-Femtosekunden-Faserlaser wird ebenso beschrieben wie seine Stabilisierung für die vorgesehenen Anwendungen. Es werden in-loop und out-of-loop-Messungen des Restphasenrauschens zusammen mit einem ersten Langzeitvergleich von Frequenzkämmen zur Bewertung der mit diesem Messinstrument erreichbaren Stabilität vorgestellt. - Das dritte Kapitel widmet sich den Aktivitäten im Zusammenhang mit optischen Gitteruhren. Es wird eine umfassende Bewertung der oberen Grenze der Instabilität und Unsicherheit bei Frequenzmessungen beim Vergleich zweier OFCs vorgestellt. In diesem Abschnitt wird die Idee der optischen Phasenverfolgung zur konstanten Wiedergabe von Frequenzversätzen bei optischen Präzisionsmessungen vorgestellt. Die Ergebnisse, die bei der Übertragung der spektralen Reinheit für die am RIKEN durchgeführten Verhältnismessungen der Yb/Sr-Gitteruhren erzielt wurden, werden beschrieben. Anschließend wird eine im Rahmen dieser Arbeit entwickelte Doppler-Kompensationstechnik vorgestellt, die als dichroitische Heterodyn-Detektion bezeichnet wird. Darüber hinaus beschreibe ich die Qualifikationsmessungen für die Übertragung der Reinheit von 194 THz bis 429 THz für den Betrieb der Strontium-Gitteruhren am JILA und die Ergebnisse, die mit dieser Transfertechnik an den dortigen Uhren erzielt wurden. - Das vierte Kapitel ist der Arbeit zur photonischen Synthese ultrastabiler Mikrowellensignale gewidmet. Es beginnt mit einer Beschreibung der Proof-of-Principle-Aktivitäten und endet mit der Arbeit an dem kompakten photonischen Mikrowellenoszillator, der im Rahmen des P$\mu$recomb-Projekts entwickelt und an das NIST geliefert wurde. - Das letzte Kapitel fasst die erzielten Ergebnisse zusammen und gibt einen Ausblick auf die Perspektiven, wie sie von den Nutzern der im Laufe dieser Arbeit entwickelten Technologien gesehen werden.

• Item Type: Theses (Dissertation, LMU Munich)
• Subjects: 500 Natural sciences and mathematics; 500 Natural sciences and mathematics > 530 Physics
• Faculties: Faculty of Physics
• Language: English
• Date of oral examination: 14. January 2026
• 1. Referee: Udem, Thomas
• Signature of the printed copy: 0001/UMC 32153