Abstract

We describe the realization of a 5km free-space coherent optical link through the turbulent atmosphere between a telescope and a ground target. We present the phase noise of the link, limited mainly by atmospheric turbulence and mechanical vibrations of the telescope and the target. We discuss the implications of our results for applications, with particular emphasis on optical Doppler ranging to satellites and long-distance frequency transfer.

© 2010 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Science 319, 1808 (2008).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. A. Bauch, J. Achkar, S. Bize, D. Calonico, R. Dach, R. Hlavać, L. Lorini, T. Parker, G. Petit, D. Piester, K. Szymaniec, and P. Uhrich, Metrologia 43, 109 (2006).
    [CrossRef]
  3. H. Jiang, F. Kéfélian, S. Crane, O. Lopez, M. Lours, J. Millo, D. Holleville, P. Lemonde, Ch. Chardonnet, A. Amy-Klein, and G. Santarelli, J. Opt. Soc. Am. B 25, 2029 (2008).
    [CrossRef]
  4. G. Grosche, O. Terra, K. Predehl, R. Holzwarth, B. Lipphardt, F. Vogt, U. Sterr, and H. Schnatz, Opt. Lett. 34, 2270 (2009).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. N. Perlot, D. Giggenbach, H. Henniger, J. Horwath, M. Knapek, and K. Zettl, Proc. SPIE 6304, 63041O (2006).
    [CrossRef]
  6. B. Sprenger, J. Zhang, Z. H. Lu, and L. J. Wang, Opt. Lett. 34, 965 (2009).
    [CrossRef] [PubMed]
  7. R. P. Linfield, M. M. Colavita, and B. F. Lane, Astrophys. J. 554, 505 (2001).
    [CrossRef]

2009 (2)

2008 (2)

H. Jiang, F. Kéfélian, S. Crane, O. Lopez, M. Lours, J. Millo, D. Holleville, P. Lemonde, Ch. Chardonnet, A. Amy-Klein, and G. Santarelli, J. Opt. Soc. Am. B 25, 2029 (2008).
[CrossRef]

T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Science 319, 1808 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

2006 (2)

A. Bauch, J. Achkar, S. Bize, D. Calonico, R. Dach, R. Hlavać, L. Lorini, T. Parker, G. Petit, D. Piester, K. Szymaniec, and P. Uhrich, Metrologia 43, 109 (2006).
[CrossRef]

N. Perlot, D. Giggenbach, H. Henniger, J. Horwath, M. Knapek, and K. Zettl, Proc. SPIE 6304, 63041O (2006).
[CrossRef]

2001 (1)

R. P. Linfield, M. M. Colavita, and B. F. Lane, Astrophys. J. 554, 505 (2001).
[CrossRef]

Achkar, J.

A. Bauch, J. Achkar, S. Bize, D. Calonico, R. Dach, R. Hlavać, L. Lorini, T. Parker, G. Petit, D. Piester, K. Szymaniec, and P. Uhrich, Metrologia 43, 109 (2006).
[CrossRef]

Amy-Klein, A.

Bauch, A.

A. Bauch, J. Achkar, S. Bize, D. Calonico, R. Dach, R. Hlavać, L. Lorini, T. Parker, G. Petit, D. Piester, K. Szymaniec, and P. Uhrich, Metrologia 43, 109 (2006).
[CrossRef]

Bergquist, J. C.

T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Science 319, 1808 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Bize, S.

A. Bauch, J. Achkar, S. Bize, D. Calonico, R. Dach, R. Hlavać, L. Lorini, T. Parker, G. Petit, D. Piester, K. Szymaniec, and P. Uhrich, Metrologia 43, 109 (2006).
[CrossRef]

Brusch, A.

T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Science 319, 1808 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Calonico, D.

A. Bauch, J. Achkar, S. Bize, D. Calonico, R. Dach, R. Hlavać, L. Lorini, T. Parker, G. Petit, D. Piester, K. Szymaniec, and P. Uhrich, Metrologia 43, 109 (2006).
[CrossRef]

Chardonnet, Ch.

Chou, C. W.

T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Science 319, 1808 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Colavita, M. M.

R. P. Linfield, M. M. Colavita, and B. F. Lane, Astrophys. J. 554, 505 (2001).
[CrossRef]

Crane, S.

Dach, R.

A. Bauch, J. Achkar, S. Bize, D. Calonico, R. Dach, R. Hlavać, L. Lorini, T. Parker, G. Petit, D. Piester, K. Szymaniec, and P. Uhrich, Metrologia 43, 109 (2006).
[CrossRef]

Diddams, S. A.

T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Science 319, 1808 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Drullinger, R. E.

T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Science 319, 1808 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Fortier, T. M.

T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Science 319, 1808 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Giggenbach, D.

N. Perlot, D. Giggenbach, H. Henniger, J. Horwath, M. Knapek, and K. Zettl, Proc. SPIE 6304, 63041O (2006).
[CrossRef]

Grosche, G.

Henniger, H.

N. Perlot, D. Giggenbach, H. Henniger, J. Horwath, M. Knapek, and K. Zettl, Proc. SPIE 6304, 63041O (2006).
[CrossRef]

Hlavac, R.

A. Bauch, J. Achkar, S. Bize, D. Calonico, R. Dach, R. Hlavać, L. Lorini, T. Parker, G. Petit, D. Piester, K. Szymaniec, and P. Uhrich, Metrologia 43, 109 (2006).
[CrossRef]

Holleville, D.

Holzwarth, R.

Horwath, J.

N. Perlot, D. Giggenbach, H. Henniger, J. Horwath, M. Knapek, and K. Zettl, Proc. SPIE 6304, 63041O (2006).
[CrossRef]

Hume, D. B.

T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Science 319, 1808 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Itano, W. M.

T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Science 319, 1808 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Jiang, H.

Kéfélian, F.

Knapek, M.

N. Perlot, D. Giggenbach, H. Henniger, J. Horwath, M. Knapek, and K. Zettl, Proc. SPIE 6304, 63041O (2006).
[CrossRef]

Lane, B. F.

R. P. Linfield, M. M. Colavita, and B. F. Lane, Astrophys. J. 554, 505 (2001).
[CrossRef]

Lemonde, P.

Linfield, R. P.

R. P. Linfield, M. M. Colavita, and B. F. Lane, Astrophys. J. 554, 505 (2001).
[CrossRef]

Lipphardt, B.

Lopez, O.

Lorini, L.

T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Science 319, 1808 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

A. Bauch, J. Achkar, S. Bize, D. Calonico, R. Dach, R. Hlavać, L. Lorini, T. Parker, G. Petit, D. Piester, K. Szymaniec, and P. Uhrich, Metrologia 43, 109 (2006).
[CrossRef]

Lours, M.

Lu, Z. H.

Millo, J.

Newbury, N. R.

T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Science 319, 1808 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Oskay, W. H.

T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Science 319, 1808 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Parker, T.

A. Bauch, J. Achkar, S. Bize, D. Calonico, R. Dach, R. Hlavać, L. Lorini, T. Parker, G. Petit, D. Piester, K. Szymaniec, and P. Uhrich, Metrologia 43, 109 (2006).
[CrossRef]

Perlot, N.

N. Perlot, D. Giggenbach, H. Henniger, J. Horwath, M. Knapek, and K. Zettl, Proc. SPIE 6304, 63041O (2006).
[CrossRef]

Petit, G.

A. Bauch, J. Achkar, S. Bize, D. Calonico, R. Dach, R. Hlavać, L. Lorini, T. Parker, G. Petit, D. Piester, K. Szymaniec, and P. Uhrich, Metrologia 43, 109 (2006).
[CrossRef]

Piester, D.

A. Bauch, J. Achkar, S. Bize, D. Calonico, R. Dach, R. Hlavać, L. Lorini, T. Parker, G. Petit, D. Piester, K. Szymaniec, and P. Uhrich, Metrologia 43, 109 (2006).
[CrossRef]

Predehl, K.

Rosenband, T.

T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Science 319, 1808 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Santarelli, G.

Schmidt, P. O.

T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Science 319, 1808 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Schnatz, H.

Sprenger, B.

Stalnaker, J. E.

T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Science 319, 1808 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Sterr, U.

Swann, W. C.

T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Science 319, 1808 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Szymaniec, K.

A. Bauch, J. Achkar, S. Bize, D. Calonico, R. Dach, R. Hlavać, L. Lorini, T. Parker, G. Petit, D. Piester, K. Szymaniec, and P. Uhrich, Metrologia 43, 109 (2006).
[CrossRef]

Terra, O.

Uhrich, P.

A. Bauch, J. Achkar, S. Bize, D. Calonico, R. Dach, R. Hlavać, L. Lorini, T. Parker, G. Petit, D. Piester, K. Szymaniec, and P. Uhrich, Metrologia 43, 109 (2006).
[CrossRef]

Vogt, F.

Wang, L. J.

Wineland, D. J.

T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Science 319, 1808 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Zettl, K.

N. Perlot, D. Giggenbach, H. Henniger, J. Horwath, M. Knapek, and K. Zettl, Proc. SPIE 6304, 63041O (2006).
[CrossRef]

Zhang, J.

Astrophys. J. (1)

R. P. Linfield, M. M. Colavita, and B. F. Lane, Astrophys. J. 554, 505 (2001).
[CrossRef]

J. Opt. Soc. Am. B (1)

Metrologia (1)

A. Bauch, J. Achkar, S. Bize, D. Calonico, R. Dach, R. Hlavać, L. Lorini, T. Parker, G. Petit, D. Piester, K. Szymaniec, and P. Uhrich, Metrologia 43, 109 (2006).
[CrossRef]

Opt. Lett. (2)

Proc. SPIE (1)

N. Perlot, D. Giggenbach, H. Henniger, J. Horwath, M. Knapek, and K. Zettl, Proc. SPIE 6304, 63041O (2006).
[CrossRef]

Science (1)

T. Rosenband, D. B. Hume, P. O. Schmidt, C. W. Chou, A. Brusch, L. Lorini, W. H. Oskay, R. E. Drullinger, T. M. Fortier, J. E. Stalnaker, S. A. Diddams, W. C. Swann, N. R. Newbury, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Science 319, 1808 (2008).
[CrossRef] [PubMed]

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

Principle of the experiment: Pol., polarizer; PBS, polarizing beam splitter; MC, mode cleaner ( 50 cm length, single-mode fiber); λ 2 , λ 4 , half- and quarter-wave plate; PI, proportional-integrator filter.

Fig. 2
Fig. 2

Fractional frequency PSD of the free-space link (upper trace, black) and system floor (lower trace, red online), with 500 points moving averages superposed by thin lines in green (upper) and blue (lower).

Fig. 3
Fig. 3

Fractional frequency stability measured on the ground–ground free-space link (upper curve, black) and estimated for a ground-to-geostationary satellite clock comparison (lower curve, red online).

Metrics