Abstract

We demonstrate that the stability of the current optical frequency comb generated by a Kerr-lens mode-locked femtosecond laser is limited by the microwave reference used for phase locking the comb spacing. Hence we implement precision frequency/phase control of the entire comb to the fundamental and second-harmonic frequencies of a stable cw laser without any external microwave reference. The stability of a cw iodine-stabilized laser is transferred to millions of comb lines (with an instability of 3×10-13) covering more than one octave of the optical frequency spectrum. In addition, the mode spacing of the comb can be used as a stable microwave frequency derived directly from a stable optical oscillator.

© 2000 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. Th. Udem, J. Reichert, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 82, 3568 (1999); Opt. Lett. 24, 881 (1999).
    [CrossRef]
  2. S. A. Diddams, D. J. Jones, J. Ye, S. T. Cundiff, J. L. Hall, J. K. Ranka, R. S. Windeler, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 5102 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. R. J. Rafac, B. C. Young, J. A. Beall, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Phys. Rev. Lett. 85, 2462 (2000); J. E. Bernard, A. A. Madej, L. Marmet, B. G. Whitford, K. J. Siemsen, and S. Cundy, Phys. Rev. Lett. 82, 3228 (1999); H. Schnatz, B. Lipphardt, J. Helmcke, F. Riehle, and G. Zinner, Phys. Rev. Lett. 76, 18 (1996); C. W. Oates, E. A. Curtis, and L. Hollberg, Opt. Lett. 25, 1603 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. F. L. Walls and A. DeMarchi, IEEE Trans. Instrum. Meas. 24, 210 (1975).
    [CrossRef]
  6. J. Reichert, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hansch, Opt. Commun. 172, 59 (1999).
    [CrossRef]
  7. J. Ranka, R. Windeler, and A. Stentz, Opt. Lett. 25, 25 (2000).
    [CrossRef]
  8. J. L. Hall, L. S. Ma, M. Taubman, B. Tiemann, F. L. Hong, O. Pfister, and J. Ye, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 583 (1999); J. Ye, L. Robertson, S. Picard, L. S. Ma, and J. L. Hall, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 544 (1999).
    [CrossRef]

2000 (4)

S. A. Diddams, D. J. Jones, J. Ye, S. T. Cundiff, J. L. Hall, J. K. Ranka, R. S. Windeler, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 5102 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

R. J. Rafac, B. C. Young, J. A. Beall, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Phys. Rev. Lett. 85, 2462 (2000); J. E. Bernard, A. A. Madej, L. Marmet, B. G. Whitford, K. J. Siemsen, and S. Cundy, Phys. Rev. Lett. 82, 3228 (1999); H. Schnatz, B. Lipphardt, J. Helmcke, F. Riehle, and G. Zinner, Phys. Rev. Lett. 76, 18 (1996); C. W. Oates, E. A. Curtis, and L. Hollberg, Opt. Lett. 25, 1603 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

J. Ranka, R. Windeler, and A. Stentz, Opt. Lett. 25, 25 (2000).
[CrossRef]

1999 (3)

J. L. Hall, L. S. Ma, M. Taubman, B. Tiemann, F. L. Hong, O. Pfister, and J. Ye, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 583 (1999); J. Ye, L. Robertson, S. Picard, L. S. Ma, and J. L. Hall, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 544 (1999).
[CrossRef]

Th. Udem, J. Reichert, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 82, 3568 (1999); Opt. Lett. 24, 881 (1999).
[CrossRef]

J. Reichert, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hansch, Opt. Commun. 172, 59 (1999).
[CrossRef]

1975 (1)

F. L. Walls and A. DeMarchi, IEEE Trans. Instrum. Meas. 24, 210 (1975).
[CrossRef]

Beall, J. A.

R. J. Rafac, B. C. Young, J. A. Beall, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Phys. Rev. Lett. 85, 2462 (2000); J. E. Bernard, A. A. Madej, L. Marmet, B. G. Whitford, K. J. Siemsen, and S. Cundy, Phys. Rev. Lett. 82, 3228 (1999); H. Schnatz, B. Lipphardt, J. Helmcke, F. Riehle, and G. Zinner, Phys. Rev. Lett. 76, 18 (1996); C. W. Oates, E. A. Curtis, and L. Hollberg, Opt. Lett. 25, 1603 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Bergquist, J. C.

R. J. Rafac, B. C. Young, J. A. Beall, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Phys. Rev. Lett. 85, 2462 (2000); J. E. Bernard, A. A. Madej, L. Marmet, B. G. Whitford, K. J. Siemsen, and S. Cundy, Phys. Rev. Lett. 82, 3228 (1999); H. Schnatz, B. Lipphardt, J. Helmcke, F. Riehle, and G. Zinner, Phys. Rev. Lett. 76, 18 (1996); C. W. Oates, E. A. Curtis, and L. Hollberg, Opt. Lett. 25, 1603 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Cundiff, S. T.

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

S. A. Diddams, D. J. Jones, J. Ye, S. T. Cundiff, J. L. Hall, J. K. Ranka, R. S. Windeler, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 5102 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

DeMarchi, A.

F. L. Walls and A. DeMarchi, IEEE Trans. Instrum. Meas. 24, 210 (1975).
[CrossRef]

Diddams, S. A.

S. A. Diddams, D. J. Jones, J. Ye, S. T. Cundiff, J. L. Hall, J. K. Ranka, R. S. Windeler, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 5102 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Hall, J. L.

S. A. Diddams, D. J. Jones, J. Ye, S. T. Cundiff, J. L. Hall, J. K. Ranka, R. S. Windeler, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 5102 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

J. L. Hall, L. S. Ma, M. Taubman, B. Tiemann, F. L. Hong, O. Pfister, and J. Ye, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 583 (1999); J. Ye, L. Robertson, S. Picard, L. S. Ma, and J. L. Hall, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 544 (1999).
[CrossRef]

Hansch, T. W.

J. Reichert, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hansch, Opt. Commun. 172, 59 (1999).
[CrossRef]

Hänsch, T. W.

S. A. Diddams, D. J. Jones, J. Ye, S. T. Cundiff, J. L. Hall, J. K. Ranka, R. S. Windeler, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 5102 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Th. Udem, J. Reichert, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 82, 3568 (1999); Opt. Lett. 24, 881 (1999).
[CrossRef]

Holzwarth, R.

S. A. Diddams, D. J. Jones, J. Ye, S. T. Cundiff, J. L. Hall, J. K. Ranka, R. S. Windeler, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 5102 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Th. Udem, J. Reichert, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 82, 3568 (1999); Opt. Lett. 24, 881 (1999).
[CrossRef]

J. Reichert, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hansch, Opt. Commun. 172, 59 (1999).
[CrossRef]

Hong, F. L.

J. L. Hall, L. S. Ma, M. Taubman, B. Tiemann, F. L. Hong, O. Pfister, and J. Ye, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 583 (1999); J. Ye, L. Robertson, S. Picard, L. S. Ma, and J. L. Hall, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 544 (1999).
[CrossRef]

Itano, W. M.

R. J. Rafac, B. C. Young, J. A. Beall, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Phys. Rev. Lett. 85, 2462 (2000); J. E. Bernard, A. A. Madej, L. Marmet, B. G. Whitford, K. J. Siemsen, and S. Cundy, Phys. Rev. Lett. 82, 3228 (1999); H. Schnatz, B. Lipphardt, J. Helmcke, F. Riehle, and G. Zinner, Phys. Rev. Lett. 76, 18 (1996); C. W. Oates, E. A. Curtis, and L. Hollberg, Opt. Lett. 25, 1603 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Jones, D. J.

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

S. A. Diddams, D. J. Jones, J. Ye, S. T. Cundiff, J. L. Hall, J. K. Ranka, R. S. Windeler, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 5102 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Ma, L. S.

J. L. Hall, L. S. Ma, M. Taubman, B. Tiemann, F. L. Hong, O. Pfister, and J. Ye, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 583 (1999); J. Ye, L. Robertson, S. Picard, L. S. Ma, and J. L. Hall, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 544 (1999).
[CrossRef]

Pfister, O.

J. L. Hall, L. S. Ma, M. Taubman, B. Tiemann, F. L. Hong, O. Pfister, and J. Ye, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 583 (1999); J. Ye, L. Robertson, S. Picard, L. S. Ma, and J. L. Hall, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 544 (1999).
[CrossRef]

Rafac, R. J.

R. J. Rafac, B. C. Young, J. A. Beall, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Phys. Rev. Lett. 85, 2462 (2000); J. E. Bernard, A. A. Madej, L. Marmet, B. G. Whitford, K. J. Siemsen, and S. Cundy, Phys. Rev. Lett. 82, 3228 (1999); H. Schnatz, B. Lipphardt, J. Helmcke, F. Riehle, and G. Zinner, Phys. Rev. Lett. 76, 18 (1996); C. W. Oates, E. A. Curtis, and L. Hollberg, Opt. Lett. 25, 1603 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Ranka, J.

Ranka, J. K.

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

S. A. Diddams, D. J. Jones, J. Ye, S. T. Cundiff, J. L. Hall, J. K. Ranka, R. S. Windeler, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 5102 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Reichert, J.

Th. Udem, J. Reichert, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 82, 3568 (1999); Opt. Lett. 24, 881 (1999).
[CrossRef]

J. Reichert, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hansch, Opt. Commun. 172, 59 (1999).
[CrossRef]

Stentz, A.

J. Ranka, R. Windeler, and A. Stentz, Opt. Lett. 25, 25 (2000).
[CrossRef]

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Taubman, M.

J. L. Hall, L. S. Ma, M. Taubman, B. Tiemann, F. L. Hong, O. Pfister, and J. Ye, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 583 (1999); J. Ye, L. Robertson, S. Picard, L. S. Ma, and J. L. Hall, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 544 (1999).
[CrossRef]

Tiemann, B.

J. L. Hall, L. S. Ma, M. Taubman, B. Tiemann, F. L. Hong, O. Pfister, and J. Ye, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 583 (1999); J. Ye, L. Robertson, S. Picard, L. S. Ma, and J. L. Hall, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 544 (1999).
[CrossRef]

Udem, Th.

S. A. Diddams, D. J. Jones, J. Ye, S. T. Cundiff, J. L. Hall, J. K. Ranka, R. S. Windeler, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 5102 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Th. Udem, J. Reichert, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 82, 3568 (1999); Opt. Lett. 24, 881 (1999).
[CrossRef]

J. Reichert, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hansch, Opt. Commun. 172, 59 (1999).
[CrossRef]

Walls, F. L.

F. L. Walls and A. DeMarchi, IEEE Trans. Instrum. Meas. 24, 210 (1975).
[CrossRef]

Windeler, R.

Windeler, R. S.

S. A. Diddams, D. J. Jones, J. Ye, S. T. Cundiff, J. L. Hall, J. K. Ranka, R. S. Windeler, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 5102 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Wineland, D. J.

R. J. Rafac, B. C. Young, J. A. Beall, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Phys. Rev. Lett. 85, 2462 (2000); J. E. Bernard, A. A. Madej, L. Marmet, B. G. Whitford, K. J. Siemsen, and S. Cundy, Phys. Rev. Lett. 82, 3228 (1999); H. Schnatz, B. Lipphardt, J. Helmcke, F. Riehle, and G. Zinner, Phys. Rev. Lett. 76, 18 (1996); C. W. Oates, E. A. Curtis, and L. Hollberg, Opt. Lett. 25, 1603 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Ye, J.

S. A. Diddams, D. J. Jones, J. Ye, S. T. Cundiff, J. L. Hall, J. K. Ranka, R. S. Windeler, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 5102 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

J. L. Hall, L. S. Ma, M. Taubman, B. Tiemann, F. L. Hong, O. Pfister, and J. Ye, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 583 (1999); J. Ye, L. Robertson, S. Picard, L. S. Ma, and J. L. Hall, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 544 (1999).
[CrossRef]

Young, B. C.

R. J. Rafac, B. C. Young, J. A. Beall, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Phys. Rev. Lett. 85, 2462 (2000); J. E. Bernard, A. A. Madej, L. Marmet, B. G. Whitford, K. J. Siemsen, and S. Cundy, Phys. Rev. Lett. 82, 3228 (1999); H. Schnatz, B. Lipphardt, J. Helmcke, F. Riehle, and G. Zinner, Phys. Rev. Lett. 76, 18 (1996); C. W. Oates, E. A. Curtis, and L. Hollberg, Opt. Lett. 25, 1603 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

IEEE Trans. Instrum. Meas. (2)

F. L. Walls and A. DeMarchi, IEEE Trans. Instrum. Meas. 24, 210 (1975).
[CrossRef]

J. L. Hall, L. S. Ma, M. Taubman, B. Tiemann, F. L. Hong, O. Pfister, and J. Ye, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 583 (1999); J. Ye, L. Robertson, S. Picard, L. S. Ma, and J. L. Hall, IEEE Trans. Instrum. Meas. 48, 544 (1999).
[CrossRef]

Opt. Commun. (1)

J. Reichert, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hansch, Opt. Commun. 172, 59 (1999).
[CrossRef]

Opt. Lett. (1)

Phys. Rev. Lett. (3)

Th. Udem, J. Reichert, R. Holzwarth, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 82, 3568 (1999); Opt. Lett. 24, 881 (1999).
[CrossRef]

S. A. Diddams, D. J. Jones, J. Ye, S. T. Cundiff, J. L. Hall, J. K. Ranka, R. S. Windeler, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 5102 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

R. J. Rafac, B. C. Young, J. A. Beall, W. M. Itano, D. J. Wineland, and J. C. Bergquist, Phys. Rev. Lett. 85, 2462 (2000); J. E. Bernard, A. A. Madej, L. Marmet, B. G. Whitford, K. J. Siemsen, and S. Cundy, Phys. Rev. Lett. 82, 3228 (1999); H. Schnatz, B. Lipphardt, J. Helmcke, F. Riehle, and G. Zinner, Phys. Rev. Lett. 76, 18 (1996); C. W. Oates, E. A. Curtis, and L. Hollberg, Opt. Lett. 25, 1603 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Science (1)

D. J. Jones, S. A. Diddams, J. K. Ranka, A. Stentz, R. S. Windeler, J. L. Hall, and S. T. Cundiff, Science 288, 635 (2000).
[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

(a) Ti:sapphire-based Kerr-lens mode-locked femtosecond laser. The translating and tilting PZT’s used for frequency/phase stabilization of the laser are also shown. (b) Comparison of the two schemes: (left) using a rf clock to stabilize the comb spacing and (right) generating a rf signal from an optical standard. (c) Implementation of the frequency–phase lock system for the femtosecond laser. SHG, second-harmonic generator; f/v, frequency–voltage converter; other abbreviations defined in text.

Fig. 2
Fig. 2

Optical beat noise versus color (frequency offset from 1064 nm). Std. Dev., standard deviation.

Fig. 3
Fig. 3

Simultaneous stabilization of two comb lines. (a) A comb line at 532 nm is frequency locked to the cw laser, and their beat is counted with a 1-s gate time. (b) At the same time a comb line at 1064 nm is phase locked to the cw laser, with a standard deviation of 1 Hz. (c) Only the 1064-nm beat is stabilized (phase locked), with a resultant frequency standard deviation of 280 mHz.

Metrics