Abstract

We demonstrate a simple optical clockwork mechanism based on the broadened frequency comb of a femtosecond laser and on difference-frequency generation (DFG) in a nonlinear crystal. The DFG comb possesses a vanishing carrier envelope offset frequency that permits the construction of a simple and thus potentially more stable optical clockwork. In addition it offers the possibility of extending the frequency comb into the infrared spectral region. The overall accuracy and stability of the DFG comb relative to the initial frequency comb were measured to be 6.6×10-21 and 10-18 τ-1, respectively, where τ is the averaging time in seconds. Assuming that sum- and difference-frequency generation are independent processes, our measurements suggest a <10-20 accuracy for them.

© 2004 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. 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]
  2. R. Holzwarth, Th. Udem, T. W. Hänsch, J. C. Knight, W. J. Wadsworth, and P. St. J. Russell, Phys. Rev. Lett. 85, 2264 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. J. Reichert, M. Niering, R. Holzwarth, M. Weitz, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 3232 (2000).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. S. A. Diddams, Th. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. J. Stenger, Ch. Tamm, N. Haverkamp, S. Weyers, and H. R. Telle, Opt. Lett. 26, 1589 (2001).
    [CrossRef]
  6. J. Reichert, R. Holzwarth, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Commun. 172, 59 (1999).
    [CrossRef]
  7. T. M. Fortier, D. J. Jones, and S. T. Cundiff, Opt. Lett. 28, 2198 (2003).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, and D. M. Atkin, Opt. Lett. 21, 1547 (1996).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. J. K. Ranka, R. S. Windeler, and A. J. Stentz, Opt. Lett. 25, 25 (2000).
    [CrossRef]
  10. H. A. Haus and E. P. Ippen, Opt. Lett. 26, 1654 (2001).
    [CrossRef]
  11. S. A. Diddams, L. Hollberg, L.-S. Ma, and L. Robertsson, Opt. Lett. 27, 58 (2002).
    [CrossRef]
  12. F. M. Gardner, Phase Lock Techniques, 2nd ed. (Wiley, New York, 1979), pp. 1–24.
  13. A. Baltuška, T. Fuji, and T. Kobayashi, Phys. Rev. Lett. 88, 133901 (2002).
    [CrossRef]
  14. F. Tauser, A. Leitenstorfer, and W. Zinth, Opt. Express 11, 594 (2003), http://www.opticsexpress.org .
    [CrossRef] [PubMed]
  15. Th. Udem, R. Holzwarth, M. Zimmermann, and T. W. Hänsch, in Proceedings of the Sixth Symposium on Frequency Standards and Metrology, P. Gill, ed. (World Scientific, Singapore, 2002), p. 125.
    [CrossRef]
  16. P. Horowitz and W. Hill, The Art of Electronics, 2nd ed. (Cambridge U. Press, Cambridge, 1989), p. 644.
  17. R. Wynands, O. Coste, C. Rembe, and D. Meschede, Opt. Lett. 20, 1095 (1995).
    [CrossRef] [PubMed]
  18. J. Stenger, H. Schnatz, C. Tamm, and H. R. Telle, Phys. Rev. Lett. 88, 073601 (2002).
    [CrossRef]

2003 (2)

2002 (3)

S. A. Diddams, L. Hollberg, L.-S. Ma, and L. Robertsson, Opt. Lett. 27, 58 (2002).
[CrossRef]

A. Baltuška, T. Fuji, and T. Kobayashi, Phys. Rev. Lett. 88, 133901 (2002).
[CrossRef]

J. Stenger, H. Schnatz, C. Tamm, and H. R. Telle, Phys. Rev. Lett. 88, 073601 (2002).
[CrossRef]

2001 (3)

S. A. Diddams, Th. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

J. Stenger, Ch. Tamm, N. Haverkamp, S. Weyers, and H. R. Telle, Opt. Lett. 26, 1589 (2001).
[CrossRef]

H. A. Haus and E. P. Ippen, Opt. Lett. 26, 1654 (2001).
[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]

R. Holzwarth, Th. Udem, T. W. Hänsch, J. C. Knight, W. J. Wadsworth, and P. St. J. Russell, Phys. Rev. Lett. 85, 2264 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

J. Reichert, M. Niering, R. Holzwarth, M. Weitz, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 3232 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

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

1999 (1)

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

1996 (1)

1995 (1)

Atkin, D. M.

Baltuška, A.

A. Baltuška, T. Fuji, and T. Kobayashi, Phys. Rev. Lett. 88, 133901 (2002).
[CrossRef]

Bergquist, J. C.

S. A. Diddams, Th. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Birks, T. A.

Coste, O.

Cundiff, S. T.

T. M. Fortier, D. J. Jones, and S. T. Cundiff, Opt. Lett. 28, 2198 (2003).
[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]

Curtis, E. A.

S. A. Diddams, Th. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Diddams, S. A.

S. A. Diddams, L. Hollberg, L.-S. Ma, and L. Robertsson, Opt. Lett. 27, 58 (2002).
[CrossRef]

S. A. Diddams, Th. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[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]

Drullinger, R. E.

S. A. Diddams, Th. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Fortier, T. M.

Fuji, T.

A. Baltuška, T. Fuji, and T. Kobayashi, Phys. Rev. Lett. 88, 133901 (2002).
[CrossRef]

Gardner, F. M.

F. M. Gardner, Phase Lock Techniques, 2nd ed. (Wiley, New York, 1979), pp. 1–24.

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]

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]

J. Reichert, M. Niering, R. Holzwarth, M. Weitz, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 3232 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

R. Holzwarth, Th. Udem, T. W. Hänsch, J. C. Knight, W. J. Wadsworth, and P. St. J. Russell, Phys. Rev. Lett. 85, 2264 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

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

Th. Udem, R. Holzwarth, M. Zimmermann, and T. W. Hänsch, in Proceedings of the Sixth Symposium on Frequency Standards and Metrology, P. Gill, ed. (World Scientific, Singapore, 2002), p. 125.
[CrossRef]

Haus, H. A.

Haverkamp, N.

Hill, W.

P. Horowitz and W. Hill, The Art of Electronics, 2nd ed. (Cambridge U. Press, Cambridge, 1989), p. 644.

Hollberg, L.

S. A. Diddams, L. Hollberg, L.-S. Ma, and L. Robertsson, Opt. Lett. 27, 58 (2002).
[CrossRef]

S. A. Diddams, Th. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Holzwarth, R.

R. Holzwarth, Th. Udem, T. W. Hänsch, J. C. Knight, W. J. Wadsworth, and P. St. J. Russell, Phys. Rev. Lett. 85, 2264 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

J. Reichert, M. Niering, R. Holzwarth, M. Weitz, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 3232 (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]

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

Th. Udem, R. Holzwarth, M. Zimmermann, and T. W. Hänsch, in Proceedings of the Sixth Symposium on Frequency Standards and Metrology, P. Gill, ed. (World Scientific, Singapore, 2002), p. 125.
[CrossRef]

Horowitz, P.

P. Horowitz and W. Hill, The Art of Electronics, 2nd ed. (Cambridge U. Press, Cambridge, 1989), p. 644.

Ippen, E. P.

Itano, W. M.

S. A. Diddams, Th. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Jones, D. J.

T. M. Fortier, D. J. Jones, and S. T. Cundiff, Opt. Lett. 28, 2198 (2003).
[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]

Knight, J. C.

R. Holzwarth, Th. Udem, T. W. Hänsch, J. C. Knight, W. J. Wadsworth, and P. St. J. Russell, Phys. Rev. Lett. 85, 2264 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, and D. M. Atkin, Opt. Lett. 21, 1547 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Kobayashi, T.

A. Baltuška, T. Fuji, and T. Kobayashi, Phys. Rev. Lett. 88, 133901 (2002).
[CrossRef]

Lee, W. D.

S. A. Diddams, Th. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Leitenstorfer, A.

Ma, L.-S.

Meschede, D.

Niering, M.

J. Reichert, M. Niering, R. Holzwarth, M. Weitz, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 3232 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Oates, C. W.

S. A. Diddams, Th. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Ranka, J. K.

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

Reichert, J.

J. Reichert, M. Niering, R. Holzwarth, M. Weitz, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 3232 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

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

Rembe, C.

Robertsson, L.

Russell, P. St. J.

R. Holzwarth, Th. Udem, T. W. Hänsch, J. C. Knight, W. J. Wadsworth, and P. St. J. Russell, Phys. Rev. Lett. 85, 2264 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

J. C. Knight, T. A. Birks, P. St. J. Russell, and D. M. Atkin, Opt. Lett. 21, 1547 (1996).
[CrossRef] [PubMed]

Schnatz, H.

J. Stenger, H. Schnatz, C. Tamm, and H. R. Telle, Phys. Rev. Lett. 88, 073601 (2002).
[CrossRef]

Stenger, J.

J. Stenger, H. Schnatz, C. Tamm, and H. R. Telle, Phys. Rev. Lett. 88, 073601 (2002).
[CrossRef]

J. Stenger, Ch. Tamm, N. Haverkamp, S. Weyers, and H. R. Telle, Opt. Lett. 26, 1589 (2001).
[CrossRef]

Stentz, A. J.

Tamm, C.

J. Stenger, H. Schnatz, C. Tamm, and H. R. Telle, Phys. Rev. Lett. 88, 073601 (2002).
[CrossRef]

Tamm, Ch.

Tauser, F.

Telle, H. R.

J. Stenger, H. Schnatz, C. Tamm, and H. R. Telle, Phys. Rev. Lett. 88, 073601 (2002).
[CrossRef]

J. Stenger, Ch. Tamm, N. Haverkamp, S. Weyers, and H. R. Telle, Opt. Lett. 26, 1589 (2001).
[CrossRef]

Udem, Th.

S. A. Diddams, Th. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

R. Holzwarth, Th. Udem, T. W. Hänsch, J. C. Knight, W. J. Wadsworth, and P. St. J. Russell, Phys. Rev. Lett. 85, 2264 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

J. Reichert, M. Niering, R. Holzwarth, M. Weitz, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 3232 (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]

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

Th. Udem, R. Holzwarth, M. Zimmermann, and T. W. Hänsch, in Proceedings of the Sixth Symposium on Frequency Standards and Metrology, P. Gill, ed. (World Scientific, Singapore, 2002), p. 125.
[CrossRef]

Vogel, K. R.

S. A. Diddams, Th. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Wadsworth, W. J.

R. Holzwarth, Th. Udem, T. W. Hänsch, J. C. Knight, W. J. Wadsworth, and P. St. J. Russell, Phys. Rev. Lett. 85, 2264 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Weitz, M.

J. Reichert, M. Niering, R. Holzwarth, M. Weitz, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 3232 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Weyers, S.

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]

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

Wineland, D. J.

S. A. Diddams, Th. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Wynands, R.

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]

Zimmermann, M.

Th. Udem, R. Holzwarth, M. Zimmermann, and T. W. Hänsch, in Proceedings of the Sixth Symposium on Frequency Standards and Metrology, P. Gill, ed. (World Scientific, Singapore, 2002), p. 125.
[CrossRef]

Zinth, W.

Opt. Commun. (1)

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

Opt. Express (1)

Opt. Lett. (7)

Phys. Rev. Lett. (5)

J. Stenger, H. Schnatz, C. Tamm, and H. R. Telle, Phys. Rev. Lett. 88, 073601 (2002).
[CrossRef]

A. Baltuška, T. Fuji, and T. Kobayashi, Phys. Rev. Lett. 88, 133901 (2002).
[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. Holzwarth, Th. Udem, T. W. Hänsch, J. C. Knight, W. J. Wadsworth, and P. St. J. Russell, Phys. Rev. Lett. 85, 2264 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

J. Reichert, M. Niering, R. Holzwarth, M. Weitz, Th. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 3232 (2000).
[CrossRef] [PubMed]

Science (1)

S. A. Diddams, Th. Udem, J. C. Bergquist, E. A. Curtis, R. E. Drullinger, L. Hollberg, W. M. Itano, W. D. Lee, C. W. Oates, K. R. Vogel, and D. J. Wineland, Science 293, 825 (2001).
[CrossRef] [PubMed]

Other (3)

Th. Udem, R. Holzwarth, M. Zimmermann, and T. W. Hänsch, in Proceedings of the Sixth Symposium on Frequency Standards and Metrology, P. Gill, ed. (World Scientific, Singapore, 2002), p. 125.
[CrossRef]

P. Horowitz and W. Hill, The Art of Electronics, 2nd ed. (Cambridge U. Press, Cambridge, 1989), p. 644.

F. M. Gardner, Phase Lock Techniques, 2nd ed. (Wiley, New York, 1979), pp. 1–24.

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 (1)

Fig. 1
Fig. 1

Experimental setup. The fs laser and the PCF generate a frequency comb including radiation from 946 to 473 nm. Blue comb lines near 473 nm and red comb lines near 946 nm are focused in a nonlinear crystal. Two processes are phase matched: SFG (946 nm+946 nm) leads to a blue comb near 473 nm with offset frequency 2fceo, and DFG (473 nm-946 nm) leads to an offset-free red comb near 946 nm. Both newly generated combs are expected to produce beat signals at fceo with the initial comb. PBS, polarizing beam splitter.

Tables (2)

Tables Icon

Table 1 Wavelengths of the SFG and the DFG Processes and Resultant Comb Equationsa

Tables Icon

Table 2 Results of the Frequency Measurementsa

Equations (6)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

fn1-fn2=n1frep+fceo-n2frep+fceo=n1-n2frep    n1>n2 integers.
fSFGf1,f2=f1+f2+δSFGf1,f2,
fDFGf1,f2=f1-f2+δDFGf1,f2,    f1>f2.
2nfrep+2fceo+δSFG-2nfrep+fceo=fceo+δSFG,
nfrep+fceo-nfrep+δDFG=fceo-δDFG.
δSFG+δDFG=0.21±2.1 µHz.

Metrics