Abstract

Intracavity loss modulation enables offset-frequency control with bandwidths beyond what is possible by pump power modulation. To demonstrate this new method, we use a subwavelength thick graphene electro-optic modulator to stabilize the offset frequency in a Tm:fiber frequency comb at 1.95 μm wavelength. Record-low residual phase noise of 144 mrads was achieved with this new locking scheme.

© 2012 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. S. A. Diddams, J. Opt. Soc. Am. B 27, B51 (2010).
    [CrossRef]
  2. N. R. Newbury, Nat. Photon. 5, 186 (2011).
    [CrossRef]
  3. S. A. Diddams, D. J. Jones, J. Ye, S. T. Cundiff, J. L. Hall, J. K. Ranka, R. S. Windeler, R. Holzwarth, T. Udem, and T. W. Hänsch, Phys. Rev. Lett. 84, 5102 (2000).
    [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]
  5. R. J. Jones and J.-C. Diels, Phys. Rev. Lett. 86, 3288 (2001).
    [CrossRef]
  6. S. Koke, C. Grebing, H. Frei, A. Anderson, A. Assion, and G. Steinmeyer, Nat. Photon. 4, 462 (2010).
    [CrossRef]
  7. N. R. Newbury and B. R. Washburn, IEEE J. Quantum Electron. 41, 1388 (2005).
    [CrossRef]
  8. D. D. Hudson, K. W. Holman, R. J. Jones, S. T. Cundiff, J. Ye, and D. J. Jones, Opt. Lett. 30, 2948 (2005).
    [CrossRef]
  9. E. Baumann, F. R. Giorgetta, J. W. Nicholson, W. C. Swann, I. Coddington, and N. R. Newbury, Opt. Lett. 34, 638(2009).
    [CrossRef]
  10. Y. Nakajima, H. Inaba, K. Hosaka, K. Minoshima, A. Onae, M. Yasuda, T. Kohno, S. Kawato, T. Kobayashi, T. Katsuyama, and F.-L. Hong, Opt. Express 18, 1667 (2010).
    [CrossRef]
  11. C.-C. Lee, S. Suzuki, W. Xie, and T. R. Schibli, Opt. Express 20, 5264 (2012).
    [CrossRef]
  12. H. A. Haus, IEEE J. Quantum Electron. QE-12, 169 (1976).
    [CrossRef]
  13. F. Wang, Y. Zhang, C. Tian, C. Girit, A. Zettl, M. Crommie, and Y. R. Shen, Science 320, 206 (2008).
    [CrossRef]
  14. M. Liu, X. Yin, E. Ulin-Avila, B. Geng, T. Zentgraf, L. Ju, F. Wang, and X. Zhang, Nature 474, 64 (2011).
    [CrossRef]
  15. J. Bethge, J. Jiang, C. Mohr, M. Fermann, and I. Hartl, in Lasers, Sources, and Related Photonic Devices, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2012), paper AT5A.3.
  16. I. Hartl, L. Dong, M. E. Fermann, T. R. Schibli, A. Onae, F. L. Hong, H. Inaba, K. Minoshima, and H. Matsumoto, Advanced Solid-State Photonics, Technical Digest (Optical Society of America, 2005), paper WE4.

2012

2011

M. Liu, X. Yin, E. Ulin-Avila, B. Geng, T. Zentgraf, L. Ju, F. Wang, and X. Zhang, Nature 474, 64 (2011).
[CrossRef]

N. R. Newbury, Nat. Photon. 5, 186 (2011).
[CrossRef]

2010

2009

2008

F. Wang, Y. Zhang, C. Tian, C. Girit, A. Zettl, M. Crommie, and Y. R. Shen, Science 320, 206 (2008).
[CrossRef]

2005

2001

R. J. Jones and J.-C. Diels, Phys. Rev. Lett. 86, 3288 (2001).
[CrossRef]

2000

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

1976

H. A. Haus, IEEE J. Quantum Electron. QE-12, 169 (1976).
[CrossRef]

Anderson, A.

S. Koke, C. Grebing, H. Frei, A. Anderson, A. Assion, and G. Steinmeyer, Nat. Photon. 4, 462 (2010).
[CrossRef]

Assion, A.

S. Koke, C. Grebing, H. Frei, A. Anderson, A. Assion, and G. Steinmeyer, Nat. Photon. 4, 462 (2010).
[CrossRef]

Baumann, E.

Bethge, J.

J. Bethge, J. Jiang, C. Mohr, M. Fermann, and I. Hartl, in Lasers, Sources, and Related Photonic Devices, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2012), paper AT5A.3.

Coddington, I.

Crommie, M.

F. Wang, Y. Zhang, C. Tian, C. Girit, A. Zettl, M. Crommie, and Y. R. Shen, Science 320, 206 (2008).
[CrossRef]

Cundiff, S. T.

D. D. Hudson, K. W. Holman, R. J. Jones, S. T. Cundiff, J. Ye, and D. J. Jones, Opt. Lett. 30, 2948 (2005).
[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]

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

Diddams, S. A.

S. A. Diddams, J. Opt. Soc. Am. B 27, B51 (2010).
[CrossRef]

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

Diels, J.-C.

R. J. Jones and J.-C. Diels, Phys. Rev. Lett. 86, 3288 (2001).
[CrossRef]

Dong, L.

I. Hartl, L. Dong, M. E. Fermann, T. R. Schibli, A. Onae, F. L. Hong, H. Inaba, K. Minoshima, and H. Matsumoto, Advanced Solid-State Photonics, Technical Digest (Optical Society of America, 2005), paper WE4.

Fermann, M.

J. Bethge, J. Jiang, C. Mohr, M. Fermann, and I. Hartl, in Lasers, Sources, and Related Photonic Devices, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2012), paper AT5A.3.

Fermann, M. E.

I. Hartl, L. Dong, M. E. Fermann, T. R. Schibli, A. Onae, F. L. Hong, H. Inaba, K. Minoshima, and H. Matsumoto, Advanced Solid-State Photonics, Technical Digest (Optical Society of America, 2005), paper WE4.

Frei, H.

S. Koke, C. Grebing, H. Frei, A. Anderson, A. Assion, and G. Steinmeyer, Nat. Photon. 4, 462 (2010).
[CrossRef]

Geng, B.

M. Liu, X. Yin, E. Ulin-Avila, B. Geng, T. Zentgraf, L. Ju, F. Wang, and X. Zhang, Nature 474, 64 (2011).
[CrossRef]

Giorgetta, F. R.

Girit, C.

F. Wang, Y. Zhang, C. Tian, C. Girit, A. Zettl, M. Crommie, and Y. R. Shen, Science 320, 206 (2008).
[CrossRef]

Grebing, C.

S. Koke, C. Grebing, H. Frei, A. Anderson, A. Assion, and G. Steinmeyer, Nat. Photon. 4, 462 (2010).
[CrossRef]

Hall, J. L.

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]

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

Hartl, I.

J. Bethge, J. Jiang, C. Mohr, M. Fermann, and I. Hartl, in Lasers, Sources, and Related Photonic Devices, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2012), paper AT5A.3.

I. Hartl, L. Dong, M. E. Fermann, T. R. Schibli, A. Onae, F. L. Hong, H. Inaba, K. Minoshima, and H. Matsumoto, Advanced Solid-State Photonics, Technical Digest (Optical Society of America, 2005), paper WE4.

Haus, H. A.

H. A. Haus, IEEE J. Quantum Electron. QE-12, 169 (1976).
[CrossRef]

Holman, K. W.

Holzwarth, R.

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

Hong, F. L.

I. Hartl, L. Dong, M. E. Fermann, T. R. Schibli, A. Onae, F. L. Hong, H. Inaba, K. Minoshima, and H. Matsumoto, Advanced Solid-State Photonics, Technical Digest (Optical Society of America, 2005), paper WE4.

Hong, F.-L.

Hosaka, K.

Hudson, D. D.

Inaba, H.

Y. Nakajima, H. Inaba, K. Hosaka, K. Minoshima, A. Onae, M. Yasuda, T. Kohno, S. Kawato, T. Kobayashi, T. Katsuyama, and F.-L. Hong, Opt. Express 18, 1667 (2010).
[CrossRef]

I. Hartl, L. Dong, M. E. Fermann, T. R. Schibli, A. Onae, F. L. Hong, H. Inaba, K. Minoshima, and H. Matsumoto, Advanced Solid-State Photonics, Technical Digest (Optical Society of America, 2005), paper WE4.

Jiang, J.

J. Bethge, J. Jiang, C. Mohr, M. Fermann, and I. Hartl, in Lasers, Sources, and Related Photonic Devices, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2012), paper AT5A.3.

Jones, D. J.

D. D. Hudson, K. W. Holman, R. J. Jones, S. T. Cundiff, J. Ye, and D. J. Jones, Opt. Lett. 30, 2948 (2005).
[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]

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

Jones, R. J.

Ju, L.

M. Liu, X. Yin, E. Ulin-Avila, B. Geng, T. Zentgraf, L. Ju, F. Wang, and X. Zhang, Nature 474, 64 (2011).
[CrossRef]

Katsuyama, T.

Kawato, S.

Kobayashi, T.

Kohno, T.

Koke, S.

S. Koke, C. Grebing, H. Frei, A. Anderson, A. Assion, and G. Steinmeyer, Nat. Photon. 4, 462 (2010).
[CrossRef]

Lee, C.-C.

Liu, M.

M. Liu, X. Yin, E. Ulin-Avila, B. Geng, T. Zentgraf, L. Ju, F. Wang, and X. Zhang, Nature 474, 64 (2011).
[CrossRef]

Matsumoto, H.

I. Hartl, L. Dong, M. E. Fermann, T. R. Schibli, A. Onae, F. L. Hong, H. Inaba, K. Minoshima, and H. Matsumoto, Advanced Solid-State Photonics, Technical Digest (Optical Society of America, 2005), paper WE4.

Minoshima, K.

Y. Nakajima, H. Inaba, K. Hosaka, K. Minoshima, A. Onae, M. Yasuda, T. Kohno, S. Kawato, T. Kobayashi, T. Katsuyama, and F.-L. Hong, Opt. Express 18, 1667 (2010).
[CrossRef]

I. Hartl, L. Dong, M. E. Fermann, T. R. Schibli, A. Onae, F. L. Hong, H. Inaba, K. Minoshima, and H. Matsumoto, Advanced Solid-State Photonics, Technical Digest (Optical Society of America, 2005), paper WE4.

Mohr, C.

J. Bethge, J. Jiang, C. Mohr, M. Fermann, and I. Hartl, in Lasers, Sources, and Related Photonic Devices, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2012), paper AT5A.3.

Nakajima, Y.

Newbury, N. R.

N. R. Newbury, Nat. Photon. 5, 186 (2011).
[CrossRef]

E. Baumann, F. R. Giorgetta, J. W. Nicholson, W. C. Swann, I. Coddington, and N. R. Newbury, Opt. Lett. 34, 638(2009).
[CrossRef]

N. R. Newbury and B. R. Washburn, IEEE J. Quantum Electron. 41, 1388 (2005).
[CrossRef]

Nicholson, J. W.

Onae, A.

Y. Nakajima, H. Inaba, K. Hosaka, K. Minoshima, A. Onae, M. Yasuda, T. Kohno, S. Kawato, T. Kobayashi, T. Katsuyama, and F.-L. Hong, Opt. Express 18, 1667 (2010).
[CrossRef]

I. Hartl, L. Dong, M. E. Fermann, T. R. Schibli, A. Onae, F. L. Hong, H. Inaba, K. Minoshima, and H. Matsumoto, Advanced Solid-State Photonics, Technical Digest (Optical Society of America, 2005), paper WE4.

Ranka, J. K.

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

Schibli, T. R.

C.-C. Lee, S. Suzuki, W. Xie, and T. R. Schibli, Opt. Express 20, 5264 (2012).
[CrossRef]

I. Hartl, L. Dong, M. E. Fermann, T. R. Schibli, A. Onae, F. L. Hong, H. Inaba, K. Minoshima, and H. Matsumoto, Advanced Solid-State Photonics, Technical Digest (Optical Society of America, 2005), paper WE4.

Shen, Y. R.

F. Wang, Y. Zhang, C. Tian, C. Girit, A. Zettl, M. Crommie, and Y. R. Shen, Science 320, 206 (2008).
[CrossRef]

Steinmeyer, G.

S. Koke, C. Grebing, H. Frei, A. Anderson, A. Assion, and G. Steinmeyer, Nat. Photon. 4, 462 (2010).
[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]

Suzuki, S.

Swann, W. C.

Tian, C.

F. Wang, Y. Zhang, C. Tian, C. Girit, A. Zettl, M. Crommie, and Y. R. Shen, Science 320, 206 (2008).
[CrossRef]

Udem, T.

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

Ulin-Avila, E.

M. Liu, X. Yin, E. Ulin-Avila, B. Geng, T. Zentgraf, L. Ju, F. Wang, and X. Zhang, Nature 474, 64 (2011).
[CrossRef]

Wang, F.

M. Liu, X. Yin, E. Ulin-Avila, B. Geng, T. Zentgraf, L. Ju, F. Wang, and X. Zhang, Nature 474, 64 (2011).
[CrossRef]

F. Wang, Y. Zhang, C. Tian, C. Girit, A. Zettl, M. Crommie, and Y. R. Shen, Science 320, 206 (2008).
[CrossRef]

Washburn, B. R.

N. R. Newbury and B. R. Washburn, IEEE J. Quantum Electron. 41, 1388 (2005).
[CrossRef]

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]

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

Xie, W.

Yasuda, M.

Ye, J.

D. D. Hudson, K. W. Holman, R. J. Jones, S. T. Cundiff, J. Ye, and D. J. Jones, Opt. Lett. 30, 2948 (2005).
[CrossRef]

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

Yin, X.

M. Liu, X. Yin, E. Ulin-Avila, B. Geng, T. Zentgraf, L. Ju, F. Wang, and X. Zhang, Nature 474, 64 (2011).
[CrossRef]

Zentgraf, T.

M. Liu, X. Yin, E. Ulin-Avila, B. Geng, T. Zentgraf, L. Ju, F. Wang, and X. Zhang, Nature 474, 64 (2011).
[CrossRef]

Zettl, A.

F. Wang, Y. Zhang, C. Tian, C. Girit, A. Zettl, M. Crommie, and Y. R. Shen, Science 320, 206 (2008).
[CrossRef]

Zhang, X.

M. Liu, X. Yin, E. Ulin-Avila, B. Geng, T. Zentgraf, L. Ju, F. Wang, and X. Zhang, Nature 474, 64 (2011).
[CrossRef]

Zhang, Y.

F. Wang, Y. Zhang, C. Tian, C. Girit, A. Zettl, M. Crommie, and Y. R. Shen, Science 320, 206 (2008).
[CrossRef]

IEEE J. Quantum Electron.

N. R. Newbury and B. R. Washburn, IEEE J. Quantum Electron. 41, 1388 (2005).
[CrossRef]

H. A. Haus, IEEE J. Quantum Electron. QE-12, 169 (1976).
[CrossRef]

J. Opt. Soc. Am. B

Nat. Photon.

N. R. Newbury, Nat. Photon. 5, 186 (2011).
[CrossRef]

S. Koke, C. Grebing, H. Frei, A. Anderson, A. Assion, and G. Steinmeyer, Nat. Photon. 4, 462 (2010).
[CrossRef]

Nature

M. Liu, X. Yin, E. Ulin-Avila, B. Geng, T. Zentgraf, L. Ju, F. Wang, and X. Zhang, Nature 474, 64 (2011).
[CrossRef]

Opt. Express

Opt. Lett.

Phys. Rev. Lett.

R. J. Jones and J.-C. Diels, Phys. Rev. Lett. 86, 3288 (2001).
[CrossRef]

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

Science

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]

F. Wang, Y. Zhang, C. Tian, C. Girit, A. Zettl, M. Crommie, and Y. R. Shen, Science 320, 206 (2008).
[CrossRef]

Other

J. Bethge, J. Jiang, C. Mohr, M. Fermann, and I. Hartl, in Lasers, Sources, and Related Photonic Devices, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2012), paper AT5A.3.

I. Hartl, L. Dong, M. E. Fermann, T. R. Schibli, A. Onae, F. L. Hong, H. Inaba, K. Minoshima, and H. Matsumoto, Advanced Solid-State Photonics, Technical Digest (Optical Society of America, 2005), paper WE4.

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.

Experimental setup. WDM, wavelength-division multiplexer; TDF, thulium-doped fiber; DCF, dispersion compensating fiber; PZT, piezoelectric actuator for repetition rate stabilization; QWP, quarter-wave plate; PBS, polarization beam splitter; SA, saturable-absorber mirror; HNLF, highly nonlinear fiber; PPLN, periodically poled lithium niobate. The top right picture is an optical microscope image of the modulator (diameter 280 μm).

Fig. 2.
Fig. 2.

(Top) Frequency responses of output power to pump power and loss modulation. Thin lines are measured traces, and thick lines are fitted transfer functions calculated from Eqs. (3) and (4). The following laser parameters are used in fitting the Tm:fiber data: Ep=1.1nJ, TR=10ns, Ppump=1W, η=15%, EsatL=8.5μJ, τL=535μs, Ep(qEp)=0.04. (Bottom) Calculated phase response of the same fitted model shown at the top. Negative values represent phase lag. Loss modulation has a gain of 1 at low frequencies.

Fig. 3.
Fig. 3.

(Top) In-loop RF spectra of phase-locked fceo beats recorded when locked with pump current modulation (curve showing 400 kHz servo bump) and with the graphene modulator [curves showing 1 MHz servo bump (1) and no servo bump (2)]. PSD, power spectral density. (Inset) Free-running fceo and repetition rate at 100 MHz. RBW, resolution bandwidth. (Bottom) Residual phase noise spectral density [Graphene modulator (2)]. The integrated phase noise is 144 mrad over the full span.

Equations (4)

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

TRt[ΔEpΔg]=A[ΔEpΔg]+B[ΔlΔPpump],
A=[qEpEpEpgEsatLTRτLEpEsatL],B=[Ep00ηTREsatL],
ΔEp(s)ΔPpump(s)=A11B22s2TR2sTr(A)TR+det(A),
ΔEp(s)Δl(s)=B11(sTRA22)s2TR2sTr(A)TR+det(A),

Metrics