Abstract

We implement a simple optical clock based on the F22 P7, ν3 optical transition in methane. A single femtosecond laser’s frequency comb undergoes difference frequency generation to provide an IR comb at 3.39 µm with a null carrier-envelope offset. This IR comb provides a phase-coherent link between the 88-THz optical reference and the rf repetition rate. Comparison of the repetition rate signal with a second femtosecond comb stabilized to molecular iodine shows an instability of 1.2×10-13 at 1 s, limited by microwave detection of the repetition rates. The single-sideband phase noise of the microwave signal, normalized to a carrier frequency of 1 GHz, is below -93 dBc/Hz at 1-Hz offset.

© 2005 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. J. Ye, H. Schnatz, and L. W. Hollberg, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 9, 1041 (2003).
    [Crossref]
  2. S. A. Diddams, T. 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]
  3. J. Ye, L. S. Ma, and J. L. Hall, Phys. Rev. Lett. 87, 270801 (2001).
    [Crossref]
  4. 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]
  5. T. M. Fortier, D. J. Jones, and S. T. Cundiff, Opt. Lett. 28, 2198 (2003).
    [Crossref] [PubMed]
  6. L. Matos, D. Kleppner, O. Kuzucu, T. R. Schibli, J. Kim, E. P. Ippen, and F. X. Kaertner, Opt. Lett. 29, 1683 (2004).
    [Crossref] [PubMed]
  7. A. Amy-Klein, A. Goncharov, C. Daussy, C. Grain, O. Lopez, G. Santarelli, and C. Chardonnet, Appl. Phys. B 78, 25 (2004).
    [Crossref]
  8. M. Zimmermann, C. Gohle, R. Holzwarth, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Lett. 29, 310 (2004).
    [Crossref] [PubMed]
  9. O. D. Mücke, O. Kuzucu, F. N. C. Wong, E. P. Ippen, F. X. Kärtner, S. M. Foreman, D. J. Jones, L.-S. Ma, J. L. Hall, and J. Ye, Opt. Lett. 29, 2806 (2004).
    [Crossref]
  10. S. M. Foreman, D. J. Jones, and J. Ye, Opt. Lett. 28, 370 (2003).
    [Crossref] [PubMed]
  11. M. A. Gubin, D. A. Tyurikov, A. S. Shelkovnikov, E. V. Koval’chuk, G. Kramer, and B. Lipphardt, IEEE J. Quantum Electron. 31, 2177 (1995).
    [Crossref]
  12. J. Ye, J.-L. Peng, R. J. Jones, K. W. Holman, J. L. Hall, D. J. Jones, S. A. Diddams, J. Kitching, S. Bize, J. C. Bergquist, L. W. Hollberg, L. Robertsson, and L.-S. Ma, J. Opt. Soc. Am. B 20, 1459 (2003).
    [Crossref]
  13. D. D. Krylova, A. S. Shelkovnikov, E. A. Petrukhin, and M. A. Gubin, Quantum Electron. 34, 554 (2004).
    [Crossref]
  14. E. N. Ivanov, S. A. Diddams, and L. Hollberg, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 9, 1059 (2003).
    [Crossref]
  15. Poseidon Scientific Instruments sapphire loaded cavity oscillator and Frequency Electronics, Inc., FE-102A-100 and FE-205A. Mention of commercial product names is for technical communication only.

2004 (5)

2003 (5)

2001 (2)

S. A. Diddams, T. 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. Ye, L. S. Ma, and J. L. Hall, Phys. Rev. Lett. 87, 270801 (2001).
[Crossref]

2000 (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]

1995 (1)

M. A. Gubin, D. A. Tyurikov, A. S. Shelkovnikov, E. V. Koval’chuk, G. Kramer, and B. Lipphardt, IEEE J. Quantum Electron. 31, 2177 (1995).
[Crossref]

Amy-Klein, A.

A. Amy-Klein, A. Goncharov, C. Daussy, C. Grain, O. Lopez, G. Santarelli, and C. Chardonnet, Appl. Phys. B 78, 25 (2004).
[Crossref]

Bergquist, J. C.

J. Ye, J.-L. Peng, R. J. Jones, K. W. Holman, J. L. Hall, D. J. Jones, S. A. Diddams, J. Kitching, S. Bize, J. C. Bergquist, L. W. Hollberg, L. Robertsson, and L.-S. Ma, J. Opt. Soc. Am. B 20, 1459 (2003).
[Crossref]

S. A. Diddams, T. 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]

Bize, S.

Chardonnet, C.

A. Amy-Klein, A. Goncharov, C. Daussy, C. Grain, O. Lopez, G. Santarelli, and C. Chardonnet, Appl. Phys. B 78, 25 (2004).
[Crossref]

Cundiff, S. T.

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

Curtis, E. A.

S. A. Diddams, T. 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]

Daussy, C.

A. Amy-Klein, A. Goncharov, C. Daussy, C. Grain, O. Lopez, G. Santarelli, and C. Chardonnet, Appl. Phys. B 78, 25 (2004).
[Crossref]

Diddams, S. A.

J. Ye, J.-L. Peng, R. J. Jones, K. W. Holman, J. L. Hall, D. J. Jones, S. A. Diddams, J. Kitching, S. Bize, J. C. Bergquist, L. W. Hollberg, L. Robertsson, and L.-S. Ma, J. Opt. Soc. Am. B 20, 1459 (2003).
[Crossref]

E. N. Ivanov, S. A. Diddams, and L. Hollberg, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 9, 1059 (2003).
[Crossref]

S. A. Diddams, T. 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]

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]

Drullinger, R. E.

S. A. Diddams, T. 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]

Foreman, S. M.

Fortier, T. M.

Gohle, C.

Goncharov, A.

A. Amy-Klein, A. Goncharov, C. Daussy, C. Grain, O. Lopez, G. Santarelli, and C. Chardonnet, Appl. Phys. B 78, 25 (2004).
[Crossref]

Grain, C.

A. Amy-Klein, A. Goncharov, C. Daussy, C. Grain, O. Lopez, G. Santarelli, and C. Chardonnet, Appl. Phys. B 78, 25 (2004).
[Crossref]

Gubin, M. A.

D. D. Krylova, A. S. Shelkovnikov, E. A. Petrukhin, and M. A. Gubin, Quantum Electron. 34, 554 (2004).
[Crossref]

M. A. Gubin, D. A. Tyurikov, A. S. Shelkovnikov, E. V. Koval’chuk, G. Kramer, and B. Lipphardt, IEEE J. Quantum Electron. 31, 2177 (1995).
[Crossref]

Hall, J. L.

Hänsch, T. W.

Hollberg, L.

E. N. Ivanov, S. A. Diddams, and L. Hollberg, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 9, 1059 (2003).
[Crossref]

S. A. Diddams, T. 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]

Hollberg, L. W.

Holman, K. W.

Holzwarth, R.

Ippen, E. P.

Itano, W. M.

S. A. Diddams, T. 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]

Ivanov, E. N.

E. N. Ivanov, S. A. Diddams, and L. Hollberg, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 9, 1059 (2003).
[Crossref]

Jones, D. J.

Jones, R. J.

Kaertner, F. X.

Kärtner, F. X.

Kim, J.

Kitching, J.

Kleppner, D.

Koval’chuk, E. V.

M. A. Gubin, D. A. Tyurikov, A. S. Shelkovnikov, E. V. Koval’chuk, G. Kramer, and B. Lipphardt, IEEE J. Quantum Electron. 31, 2177 (1995).
[Crossref]

Kramer, G.

M. A. Gubin, D. A. Tyurikov, A. S. Shelkovnikov, E. V. Koval’chuk, G. Kramer, and B. Lipphardt, IEEE J. Quantum Electron. 31, 2177 (1995).
[Crossref]

Krylova, D. D.

D. D. Krylova, A. S. Shelkovnikov, E. A. Petrukhin, and M. A. Gubin, Quantum Electron. 34, 554 (2004).
[Crossref]

Kuzucu, O.

Lee, W. D.

S. A. Diddams, T. 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]

Lipphardt, B.

M. A. Gubin, D. A. Tyurikov, A. S. Shelkovnikov, E. V. Koval’chuk, G. Kramer, and B. Lipphardt, IEEE J. Quantum Electron. 31, 2177 (1995).
[Crossref]

Lopez, O.

A. Amy-Klein, A. Goncharov, C. Daussy, C. Grain, O. Lopez, G. Santarelli, and C. Chardonnet, Appl. Phys. B 78, 25 (2004).
[Crossref]

Ma, L. S.

J. Ye, L. S. Ma, and J. L. Hall, Phys. Rev. Lett. 87, 270801 (2001).
[Crossref]

Ma, L.-S.

Matos, L.

Mücke, O. D.

Oates, C. W.

S. A. Diddams, T. 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]

Peng, J.-L.

Petrukhin, E. A.

D. D. Krylova, A. S. Shelkovnikov, E. A. Petrukhin, and M. A. Gubin, Quantum Electron. 34, 554 (2004).
[Crossref]

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]

Robertsson, L.

Santarelli, G.

A. Amy-Klein, A. Goncharov, C. Daussy, C. Grain, O. Lopez, G. Santarelli, and C. Chardonnet, Appl. Phys. B 78, 25 (2004).
[Crossref]

Schibli, T. R.

Schnatz, H.

J. Ye, H. Schnatz, and L. W. Hollberg, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 9, 1041 (2003).
[Crossref]

Shelkovnikov, A. S.

D. D. Krylova, A. S. Shelkovnikov, E. A. Petrukhin, and M. A. Gubin, Quantum Electron. 34, 554 (2004).
[Crossref]

M. A. Gubin, D. A. Tyurikov, A. S. Shelkovnikov, E. V. Koval’chuk, G. Kramer, and B. Lipphardt, IEEE J. Quantum Electron. 31, 2177 (1995).
[Crossref]

Stentz, A.

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]

Tyurikov, D. A.

M. A. Gubin, D. A. Tyurikov, A. S. Shelkovnikov, E. V. Koval’chuk, G. Kramer, and B. Lipphardt, IEEE J. Quantum Electron. 31, 2177 (1995).
[Crossref]

Udem, T.

M. Zimmermann, C. Gohle, R. Holzwarth, T. Udem, and T. W. Hänsch, Opt. Lett. 29, 310 (2004).
[Crossref] [PubMed]

S. A. Diddams, T. 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]

Vogel, K. R.

S. A. Diddams, T. 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]

Windeler, R. S.

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.

S. A. Diddams, T. 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]

Wong, F. N. C.

Ye, J.

Zimmermann, M.

Appl. Phys. B (1)

A. Amy-Klein, A. Goncharov, C. Daussy, C. Grain, O. Lopez, G. Santarelli, and C. Chardonnet, Appl. Phys. B 78, 25 (2004).
[Crossref]

IEEE J. Quantum Electron. (1)

M. A. Gubin, D. A. Tyurikov, A. S. Shelkovnikov, E. V. Koval’chuk, G. Kramer, and B. Lipphardt, IEEE J. Quantum Electron. 31, 2177 (1995).
[Crossref]

IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. (2)

E. N. Ivanov, S. A. Diddams, and L. Hollberg, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 9, 1059 (2003).
[Crossref]

J. Ye, H. Schnatz, and L. W. Hollberg, IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 9, 1041 (2003).
[Crossref]

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

Opt. Lett. (5)

Phys. Rev. Lett. (1)

J. Ye, L. S. Ma, and J. L. Hall, Phys. Rev. Lett. 87, 270801 (2001).
[Crossref]

Quantum Electron. (1)

D. D. Krylova, A. S. Shelkovnikov, E. A. Petrukhin, and M. A. Gubin, Quantum Electron. 34, 554 (2004).
[Crossref]

Science (2)

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, T. 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 (1)

Poseidon Scientific Instruments sapphire loaded cavity oscillator and Frequency Electronics, Inc., FE-102A-100 and FE-205A. Mention of commercial product names is for technical communication only.

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 (4)

Fig. 1
Fig. 1

Spectra of (a) direct Ti:sapphire laser output and (b) IR comb generated by difference-frequency mixing of the Ti:sapphire laser comb in a PPLN crystal. RBW, resolution bandwidth.

Fig. 2
Fig. 2

Heterodyne beats between the CH4-stabilized HeNe laser and neighboring IR comb components, with a signal-to-noise ratio of >25 dB in a 100-kHz RBW.

Fig. 3
Fig. 3

Comparison of the rf signal from the CH4 clock with NIST’s hydrogen maser and with the I2 clock’s rf signal. (a) Fractional fluctuations of the comparison frequency in each case. (b) Allan deviations for comparison with the maser (diamonds), the I2 clock with fiber-coupled detection of frep (circles), and the I2 clock with free-space-coupled detection of frep (bow ties).

Fig. 4
Fig. 4

SSB phase noise of the CH4 clock signal when compared with the I2 clock signal. Additional curves show the approximate SSB phase noise of extremely low-phase-noise microwave sources for comparison. All data were scaled for a 1-GHz carrier.

Metrics