Abstract

Cryogenic single-crystal optical cavities have the potential to provide high dimensional stability. We have investigated the long-term performance of an ultrastable laser system that is stabilized to a single-crystal silicon cavity operated at 124 K. Utilizing a frequency comb, the laser is compared to a hydrogen maser that is referenced to a primary caesium fountain standard and to the Sr87 optical lattice clock at Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB). With fractional frequency instabilities of σy(τ)2×1016 for averaging times of τ=60s to 1000 s and σy(1d)2×1015 the stability of this laser, without any aid from an atomic reference, surpasses the best known microwave standards for short averaging times and is competitive with the best known hydrogen masers for longer times of 1 day. The comparison of modeled thermal response of the cavity with measured data indicates an average fractional frequency drift below 5×1019/s, which we do not expect to be a fundamental limit.

© 2014 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. G. Santarelli, P. Laurent, P. Lemonde, A. Clairon, A. G. Mann, S. Chang, A. N. Luiten, and C. Salomon, Phys. Rev. Lett. 82, 4619 (1999).
    [CrossRef]
  2. T. Nicholson, M. Martin, J. Williams, B. Bloom, M. Bishof, M. Swallows, S. Campbell, and J. Ye, Phys. Rev. Lett. 109, 230801 (2012).
    [CrossRef]
  3. N. Hinkley, J. A. Sherman, N. B. Phillips, M. Schioppo, N. D. Lemke, K. Beloy, M. Pizzocaro, C. W. Oates, and A. D. Ludlow, Science 341, 1215 (2013).
    [CrossRef]
  4. C. Eisele, A. Y. Nevsky, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 103, 090401 (2009).
    [CrossRef]
  5. C. W. Chou, D. B. Hume, T. Rosenband, and D. J. Wineland, Science 329, 1630 (2010).
    [CrossRef]
  6. S. Grop, W. Schäfer, P. Y. Bourgeois, N. Bazin, Y. Kersalé, M. Oxborrow, E. Rubiola, and V. Giordano, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 58, 1694 (2011).
    [CrossRef]
  7. N. R. Nand, J. G. Hartnett, E. N. Ivanov, and G. Santarelli, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 59, 2978 (2011).
    [CrossRef]
  8. S. Doeleman, T. Mai, A. E. E. Rogers, J. G. Hartnett, M. E. Tobar, and N. Nand, Publ. Astron. Soc. Pac. 123, 582 (2011).
    [CrossRef]
  9. M. J. Martin, M. Bishof, M. D. Swallows, X. Zhang, C. Benko, J. von Stecher, A. V. Gorshkov, A. M. Rey, and J. Ye, Science 341, 632 (2013).
    [CrossRef]
  10. P. Dubé, A. Madej, J. Bernard, L. Marmet, and A. Shiner, Appl. Phys. B 95, 43 (2009).
    [CrossRef]
  11. R. Storz, C. Braxmaier, K. Jäck, O. Pradl, and S. Schiller, Opt. Lett. 23, 1031 (1998).
    [CrossRef]
  12. S. Seel, R. Storz, G. Ruoso, J. Mlynek, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 78, 4741 (1997).
    [CrossRef]
  13. D. W. Allan and J. Barnes, in Proceedings of the 35th Annual Frequency Control Symposium(Electronic Industries Association, 1981), pp. 470–475.
  14. T. Kessler, C. Hagemann, C. Grebing, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, M. J. Martin, L. Chen, and J. Ye, Nat. Photonics 6, 687 (2012).
    [CrossRef]
  15. S. Falke, H. Schnatz, J. S. R. Vellore Winfred, T. Middelmann, S. Vogt, S. Weyers, B. Lipphardt, G. Grosche, F. Riehle, U. Sterr, and C. Lisdat, Metrologia 48, 399 (2011).
    [CrossRef]
  16. S. Falke, N. Lemke, C. Grebing, B. Lipphardt, S. Weyers, V. Gerginov, N. Huntemann, C. Hagemann, A. Al-Masoudi, S. Häfner, S. Vogt, U. Sterr, and C. Lisdat, New J. Phys. 16, 073023 (2014).
    [CrossRef]
  17. V. Gerginov, N. Nemitz, S. Weyers, R. Schröder, R. D. Griebsch, and R. Wynands, Metrologia 47, 65 (2010).
    [CrossRef]
  18. C. Hagemann, C. Grebing, T. Kessler, S. Falke, N. Lemke, C. Lisdat, H. Schnatz, F. Riehle, and U. Sterr, IEEE Trans. Instrum. Meas. 62, 1556 (2013).
    [CrossRef]
  19. T. Kessler, T. Legero, and U. Sterr, J. Opt. Soc. Am. B 29, 178 (2012).
    [CrossRef]
  20. J. G. Hartnett, N. R. Nand, and C. Lu, Appl. Phys. Lett. 100, 183501 (2012).
    [CrossRef]
  21. W. Zhang, M. J. Martin, C. Benko, J. L. Hall, J. Ye, C. Hagemann, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, G. D. Cole, and M. Aspelmeyer, Opt. Lett. 39, 1980 (2014).
    [CrossRef]

2014 (2)

S. Falke, N. Lemke, C. Grebing, B. Lipphardt, S. Weyers, V. Gerginov, N. Huntemann, C. Hagemann, A. Al-Masoudi, S. Häfner, S. Vogt, U. Sterr, and C. Lisdat, New J. Phys. 16, 073023 (2014).
[CrossRef]

W. Zhang, M. J. Martin, C. Benko, J. L. Hall, J. Ye, C. Hagemann, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, G. D. Cole, and M. Aspelmeyer, Opt. Lett. 39, 1980 (2014).
[CrossRef]

2013 (3)

C. Hagemann, C. Grebing, T. Kessler, S. Falke, N. Lemke, C. Lisdat, H. Schnatz, F. Riehle, and U. Sterr, IEEE Trans. Instrum. Meas. 62, 1556 (2013).
[CrossRef]

N. Hinkley, J. A. Sherman, N. B. Phillips, M. Schioppo, N. D. Lemke, K. Beloy, M. Pizzocaro, C. W. Oates, and A. D. Ludlow, Science 341, 1215 (2013).
[CrossRef]

M. J. Martin, M. Bishof, M. D. Swallows, X. Zhang, C. Benko, J. von Stecher, A. V. Gorshkov, A. M. Rey, and J. Ye, Science 341, 632 (2013).
[CrossRef]

2012 (4)

T. Nicholson, M. Martin, J. Williams, B. Bloom, M. Bishof, M. Swallows, S. Campbell, and J. Ye, Phys. Rev. Lett. 109, 230801 (2012).
[CrossRef]

J. G. Hartnett, N. R. Nand, and C. Lu, Appl. Phys. Lett. 100, 183501 (2012).
[CrossRef]

T. Kessler, T. Legero, and U. Sterr, J. Opt. Soc. Am. B 29, 178 (2012).
[CrossRef]

T. Kessler, C. Hagemann, C. Grebing, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, M. J. Martin, L. Chen, and J. Ye, Nat. Photonics 6, 687 (2012).
[CrossRef]

2011 (4)

S. Falke, H. Schnatz, J. S. R. Vellore Winfred, T. Middelmann, S. Vogt, S. Weyers, B. Lipphardt, G. Grosche, F. Riehle, U. Sterr, and C. Lisdat, Metrologia 48, 399 (2011).
[CrossRef]

S. Grop, W. Schäfer, P. Y. Bourgeois, N. Bazin, Y. Kersalé, M. Oxborrow, E. Rubiola, and V. Giordano, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 58, 1694 (2011).
[CrossRef]

N. R. Nand, J. G. Hartnett, E. N. Ivanov, and G. Santarelli, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 59, 2978 (2011).
[CrossRef]

S. Doeleman, T. Mai, A. E. E. Rogers, J. G. Hartnett, M. E. Tobar, and N. Nand, Publ. Astron. Soc. Pac. 123, 582 (2011).
[CrossRef]

2010 (2)

V. Gerginov, N. Nemitz, S. Weyers, R. Schröder, R. D. Griebsch, and R. Wynands, Metrologia 47, 65 (2010).
[CrossRef]

C. W. Chou, D. B. Hume, T. Rosenband, and D. J. Wineland, Science 329, 1630 (2010).
[CrossRef]

2009 (2)

P. Dubé, A. Madej, J. Bernard, L. Marmet, and A. Shiner, Appl. Phys. B 95, 43 (2009).
[CrossRef]

C. Eisele, A. Y. Nevsky, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 103, 090401 (2009).
[CrossRef]

1999 (1)

G. Santarelli, P. Laurent, P. Lemonde, A. Clairon, A. G. Mann, S. Chang, A. N. Luiten, and C. Salomon, Phys. Rev. Lett. 82, 4619 (1999).
[CrossRef]

1998 (1)

1997 (1)

S. Seel, R. Storz, G. Ruoso, J. Mlynek, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 78, 4741 (1997).
[CrossRef]

Allan, D. W.

D. W. Allan and J. Barnes, in Proceedings of the 35th Annual Frequency Control Symposium(Electronic Industries Association, 1981), pp. 470–475.

Al-Masoudi, A.

S. Falke, N. Lemke, C. Grebing, B. Lipphardt, S. Weyers, V. Gerginov, N. Huntemann, C. Hagemann, A. Al-Masoudi, S. Häfner, S. Vogt, U. Sterr, and C. Lisdat, New J. Phys. 16, 073023 (2014).
[CrossRef]

Aspelmeyer, M.

Barnes, J.

D. W. Allan and J. Barnes, in Proceedings of the 35th Annual Frequency Control Symposium(Electronic Industries Association, 1981), pp. 470–475.

Bazin, N.

S. Grop, W. Schäfer, P. Y. Bourgeois, N. Bazin, Y. Kersalé, M. Oxborrow, E. Rubiola, and V. Giordano, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 58, 1694 (2011).
[CrossRef]

Beloy, K.

N. Hinkley, J. A. Sherman, N. B. Phillips, M. Schioppo, N. D. Lemke, K. Beloy, M. Pizzocaro, C. W. Oates, and A. D. Ludlow, Science 341, 1215 (2013).
[CrossRef]

Benko, C.

W. Zhang, M. J. Martin, C. Benko, J. L. Hall, J. Ye, C. Hagemann, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, G. D. Cole, and M. Aspelmeyer, Opt. Lett. 39, 1980 (2014).
[CrossRef]

M. J. Martin, M. Bishof, M. D. Swallows, X. Zhang, C. Benko, J. von Stecher, A. V. Gorshkov, A. M. Rey, and J. Ye, Science 341, 632 (2013).
[CrossRef]

Bernard, J.

P. Dubé, A. Madej, J. Bernard, L. Marmet, and A. Shiner, Appl. Phys. B 95, 43 (2009).
[CrossRef]

Bishof, M.

M. J. Martin, M. Bishof, M. D. Swallows, X. Zhang, C. Benko, J. von Stecher, A. V. Gorshkov, A. M. Rey, and J. Ye, Science 341, 632 (2013).
[CrossRef]

T. Nicholson, M. Martin, J. Williams, B. Bloom, M. Bishof, M. Swallows, S. Campbell, and J. Ye, Phys. Rev. Lett. 109, 230801 (2012).
[CrossRef]

Bloom, B.

T. Nicholson, M. Martin, J. Williams, B. Bloom, M. Bishof, M. Swallows, S. Campbell, and J. Ye, Phys. Rev. Lett. 109, 230801 (2012).
[CrossRef]

Bourgeois, P. Y.

S. Grop, W. Schäfer, P. Y. Bourgeois, N. Bazin, Y. Kersalé, M. Oxborrow, E. Rubiola, and V. Giordano, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 58, 1694 (2011).
[CrossRef]

Braxmaier, C.

Campbell, S.

T. Nicholson, M. Martin, J. Williams, B. Bloom, M. Bishof, M. Swallows, S. Campbell, and J. Ye, Phys. Rev. Lett. 109, 230801 (2012).
[CrossRef]

Chang, S.

G. Santarelli, P. Laurent, P. Lemonde, A. Clairon, A. G. Mann, S. Chang, A. N. Luiten, and C. Salomon, Phys. Rev. Lett. 82, 4619 (1999).
[CrossRef]

Chen, L.

T. Kessler, C. Hagemann, C. Grebing, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, M. J. Martin, L. Chen, and J. Ye, Nat. Photonics 6, 687 (2012).
[CrossRef]

Chou, C. W.

C. W. Chou, D. B. Hume, T. Rosenband, and D. J. Wineland, Science 329, 1630 (2010).
[CrossRef]

Clairon, A.

G. Santarelli, P. Laurent, P. Lemonde, A. Clairon, A. G. Mann, S. Chang, A. N. Luiten, and C. Salomon, Phys. Rev. Lett. 82, 4619 (1999).
[CrossRef]

Cole, G. D.

Doeleman, S.

S. Doeleman, T. Mai, A. E. E. Rogers, J. G. Hartnett, M. E. Tobar, and N. Nand, Publ. Astron. Soc. Pac. 123, 582 (2011).
[CrossRef]

Dubé, P.

P. Dubé, A. Madej, J. Bernard, L. Marmet, and A. Shiner, Appl. Phys. B 95, 43 (2009).
[CrossRef]

Eisele, C.

C. Eisele, A. Y. Nevsky, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 103, 090401 (2009).
[CrossRef]

Falke, S.

S. Falke, N. Lemke, C. Grebing, B. Lipphardt, S. Weyers, V. Gerginov, N. Huntemann, C. Hagemann, A. Al-Masoudi, S. Häfner, S. Vogt, U. Sterr, and C. Lisdat, New J. Phys. 16, 073023 (2014).
[CrossRef]

C. Hagemann, C. Grebing, T. Kessler, S. Falke, N. Lemke, C. Lisdat, H. Schnatz, F. Riehle, and U. Sterr, IEEE Trans. Instrum. Meas. 62, 1556 (2013).
[CrossRef]

S. Falke, H. Schnatz, J. S. R. Vellore Winfred, T. Middelmann, S. Vogt, S. Weyers, B. Lipphardt, G. Grosche, F. Riehle, U. Sterr, and C. Lisdat, Metrologia 48, 399 (2011).
[CrossRef]

Gerginov, V.

S. Falke, N. Lemke, C. Grebing, B. Lipphardt, S. Weyers, V. Gerginov, N. Huntemann, C. Hagemann, A. Al-Masoudi, S. Häfner, S. Vogt, U. Sterr, and C. Lisdat, New J. Phys. 16, 073023 (2014).
[CrossRef]

V. Gerginov, N. Nemitz, S. Weyers, R. Schröder, R. D. Griebsch, and R. Wynands, Metrologia 47, 65 (2010).
[CrossRef]

Giordano, V.

S. Grop, W. Schäfer, P. Y. Bourgeois, N. Bazin, Y. Kersalé, M. Oxborrow, E. Rubiola, and V. Giordano, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 58, 1694 (2011).
[CrossRef]

Gorshkov, A. V.

M. J. Martin, M. Bishof, M. D. Swallows, X. Zhang, C. Benko, J. von Stecher, A. V. Gorshkov, A. M. Rey, and J. Ye, Science 341, 632 (2013).
[CrossRef]

Grebing, C.

S. Falke, N. Lemke, C. Grebing, B. Lipphardt, S. Weyers, V. Gerginov, N. Huntemann, C. Hagemann, A. Al-Masoudi, S. Häfner, S. Vogt, U. Sterr, and C. Lisdat, New J. Phys. 16, 073023 (2014).
[CrossRef]

C. Hagemann, C. Grebing, T. Kessler, S. Falke, N. Lemke, C. Lisdat, H. Schnatz, F. Riehle, and U. Sterr, IEEE Trans. Instrum. Meas. 62, 1556 (2013).
[CrossRef]

T. Kessler, C. Hagemann, C. Grebing, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, M. J. Martin, L. Chen, and J. Ye, Nat. Photonics 6, 687 (2012).
[CrossRef]

Griebsch, R. D.

V. Gerginov, N. Nemitz, S. Weyers, R. Schröder, R. D. Griebsch, and R. Wynands, Metrologia 47, 65 (2010).
[CrossRef]

Grop, S.

S. Grop, W. Schäfer, P. Y. Bourgeois, N. Bazin, Y. Kersalé, M. Oxborrow, E. Rubiola, and V. Giordano, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 58, 1694 (2011).
[CrossRef]

Grosche, G.

S. Falke, H. Schnatz, J. S. R. Vellore Winfred, T. Middelmann, S. Vogt, S. Weyers, B. Lipphardt, G. Grosche, F. Riehle, U. Sterr, and C. Lisdat, Metrologia 48, 399 (2011).
[CrossRef]

Häfner, S.

S. Falke, N. Lemke, C. Grebing, B. Lipphardt, S. Weyers, V. Gerginov, N. Huntemann, C. Hagemann, A. Al-Masoudi, S. Häfner, S. Vogt, U. Sterr, and C. Lisdat, New J. Phys. 16, 073023 (2014).
[CrossRef]

Hagemann, C.

S. Falke, N. Lemke, C. Grebing, B. Lipphardt, S. Weyers, V. Gerginov, N. Huntemann, C. Hagemann, A. Al-Masoudi, S. Häfner, S. Vogt, U. Sterr, and C. Lisdat, New J. Phys. 16, 073023 (2014).
[CrossRef]

W. Zhang, M. J. Martin, C. Benko, J. L. Hall, J. Ye, C. Hagemann, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, G. D. Cole, and M. Aspelmeyer, Opt. Lett. 39, 1980 (2014).
[CrossRef]

C. Hagemann, C. Grebing, T. Kessler, S. Falke, N. Lemke, C. Lisdat, H. Schnatz, F. Riehle, and U. Sterr, IEEE Trans. Instrum. Meas. 62, 1556 (2013).
[CrossRef]

T. Kessler, C. Hagemann, C. Grebing, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, M. J. Martin, L. Chen, and J. Ye, Nat. Photonics 6, 687 (2012).
[CrossRef]

Hall, J. L.

Hartnett, J. G.

J. G. Hartnett, N. R. Nand, and C. Lu, Appl. Phys. Lett. 100, 183501 (2012).
[CrossRef]

N. R. Nand, J. G. Hartnett, E. N. Ivanov, and G. Santarelli, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 59, 2978 (2011).
[CrossRef]

S. Doeleman, T. Mai, A. E. E. Rogers, J. G. Hartnett, M. E. Tobar, and N. Nand, Publ. Astron. Soc. Pac. 123, 582 (2011).
[CrossRef]

Hinkley, N.

N. Hinkley, J. A. Sherman, N. B. Phillips, M. Schioppo, N. D. Lemke, K. Beloy, M. Pizzocaro, C. W. Oates, and A. D. Ludlow, Science 341, 1215 (2013).
[CrossRef]

Hume, D. B.

C. W. Chou, D. B. Hume, T. Rosenband, and D. J. Wineland, Science 329, 1630 (2010).
[CrossRef]

Huntemann, N.

S. Falke, N. Lemke, C. Grebing, B. Lipphardt, S. Weyers, V. Gerginov, N. Huntemann, C. Hagemann, A. Al-Masoudi, S. Häfner, S. Vogt, U. Sterr, and C. Lisdat, New J. Phys. 16, 073023 (2014).
[CrossRef]

Ivanov, E. N.

N. R. Nand, J. G. Hartnett, E. N. Ivanov, and G. Santarelli, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 59, 2978 (2011).
[CrossRef]

Jäck, K.

Kersalé, Y.

S. Grop, W. Schäfer, P. Y. Bourgeois, N. Bazin, Y. Kersalé, M. Oxborrow, E. Rubiola, and V. Giordano, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 58, 1694 (2011).
[CrossRef]

Kessler, T.

C. Hagemann, C. Grebing, T. Kessler, S. Falke, N. Lemke, C. Lisdat, H. Schnatz, F. Riehle, and U. Sterr, IEEE Trans. Instrum. Meas. 62, 1556 (2013).
[CrossRef]

T. Kessler, C. Hagemann, C. Grebing, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, M. J. Martin, L. Chen, and J. Ye, Nat. Photonics 6, 687 (2012).
[CrossRef]

T. Kessler, T. Legero, and U. Sterr, J. Opt. Soc. Am. B 29, 178 (2012).
[CrossRef]

Laurent, P.

G. Santarelli, P. Laurent, P. Lemonde, A. Clairon, A. G. Mann, S. Chang, A. N. Luiten, and C. Salomon, Phys. Rev. Lett. 82, 4619 (1999).
[CrossRef]

Legero, T.

Lemke, N.

S. Falke, N. Lemke, C. Grebing, B. Lipphardt, S. Weyers, V. Gerginov, N. Huntemann, C. Hagemann, A. Al-Masoudi, S. Häfner, S. Vogt, U. Sterr, and C. Lisdat, New J. Phys. 16, 073023 (2014).
[CrossRef]

C. Hagemann, C. Grebing, T. Kessler, S. Falke, N. Lemke, C. Lisdat, H. Schnatz, F. Riehle, and U. Sterr, IEEE Trans. Instrum. Meas. 62, 1556 (2013).
[CrossRef]

Lemke, N. D.

N. Hinkley, J. A. Sherman, N. B. Phillips, M. Schioppo, N. D. Lemke, K. Beloy, M. Pizzocaro, C. W. Oates, and A. D. Ludlow, Science 341, 1215 (2013).
[CrossRef]

Lemonde, P.

G. Santarelli, P. Laurent, P. Lemonde, A. Clairon, A. G. Mann, S. Chang, A. N. Luiten, and C. Salomon, Phys. Rev. Lett. 82, 4619 (1999).
[CrossRef]

Lipphardt, B.

S. Falke, N. Lemke, C. Grebing, B. Lipphardt, S. Weyers, V. Gerginov, N. Huntemann, C. Hagemann, A. Al-Masoudi, S. Häfner, S. Vogt, U. Sterr, and C. Lisdat, New J. Phys. 16, 073023 (2014).
[CrossRef]

S. Falke, H. Schnatz, J. S. R. Vellore Winfred, T. Middelmann, S. Vogt, S. Weyers, B. Lipphardt, G. Grosche, F. Riehle, U. Sterr, and C. Lisdat, Metrologia 48, 399 (2011).
[CrossRef]

Lisdat, C.

S. Falke, N. Lemke, C. Grebing, B. Lipphardt, S. Weyers, V. Gerginov, N. Huntemann, C. Hagemann, A. Al-Masoudi, S. Häfner, S. Vogt, U. Sterr, and C. Lisdat, New J. Phys. 16, 073023 (2014).
[CrossRef]

C. Hagemann, C. Grebing, T. Kessler, S. Falke, N. Lemke, C. Lisdat, H. Schnatz, F. Riehle, and U. Sterr, IEEE Trans. Instrum. Meas. 62, 1556 (2013).
[CrossRef]

S. Falke, H. Schnatz, J. S. R. Vellore Winfred, T. Middelmann, S. Vogt, S. Weyers, B. Lipphardt, G. Grosche, F. Riehle, U. Sterr, and C. Lisdat, Metrologia 48, 399 (2011).
[CrossRef]

Lu, C.

J. G. Hartnett, N. R. Nand, and C. Lu, Appl. Phys. Lett. 100, 183501 (2012).
[CrossRef]

Ludlow, A. D.

N. Hinkley, J. A. Sherman, N. B. Phillips, M. Schioppo, N. D. Lemke, K. Beloy, M. Pizzocaro, C. W. Oates, and A. D. Ludlow, Science 341, 1215 (2013).
[CrossRef]

Luiten, A. N.

G. Santarelli, P. Laurent, P. Lemonde, A. Clairon, A. G. Mann, S. Chang, A. N. Luiten, and C. Salomon, Phys. Rev. Lett. 82, 4619 (1999).
[CrossRef]

Madej, A.

P. Dubé, A. Madej, J. Bernard, L. Marmet, and A. Shiner, Appl. Phys. B 95, 43 (2009).
[CrossRef]

Mai, T.

S. Doeleman, T. Mai, A. E. E. Rogers, J. G. Hartnett, M. E. Tobar, and N. Nand, Publ. Astron. Soc. Pac. 123, 582 (2011).
[CrossRef]

Mann, A. G.

G. Santarelli, P. Laurent, P. Lemonde, A. Clairon, A. G. Mann, S. Chang, A. N. Luiten, and C. Salomon, Phys. Rev. Lett. 82, 4619 (1999).
[CrossRef]

Marmet, L.

P. Dubé, A. Madej, J. Bernard, L. Marmet, and A. Shiner, Appl. Phys. B 95, 43 (2009).
[CrossRef]

Martin, M.

T. Nicholson, M. Martin, J. Williams, B. Bloom, M. Bishof, M. Swallows, S. Campbell, and J. Ye, Phys. Rev. Lett. 109, 230801 (2012).
[CrossRef]

Martin, M. J.

W. Zhang, M. J. Martin, C. Benko, J. L. Hall, J. Ye, C. Hagemann, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, G. D. Cole, and M. Aspelmeyer, Opt. Lett. 39, 1980 (2014).
[CrossRef]

M. J. Martin, M. Bishof, M. D. Swallows, X. Zhang, C. Benko, J. von Stecher, A. V. Gorshkov, A. M. Rey, and J. Ye, Science 341, 632 (2013).
[CrossRef]

T. Kessler, C. Hagemann, C. Grebing, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, M. J. Martin, L. Chen, and J. Ye, Nat. Photonics 6, 687 (2012).
[CrossRef]

Middelmann, T.

S. Falke, H. Schnatz, J. S. R. Vellore Winfred, T. Middelmann, S. Vogt, S. Weyers, B. Lipphardt, G. Grosche, F. Riehle, U. Sterr, and C. Lisdat, Metrologia 48, 399 (2011).
[CrossRef]

Mlynek, J.

S. Seel, R. Storz, G. Ruoso, J. Mlynek, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 78, 4741 (1997).
[CrossRef]

Nand, N.

S. Doeleman, T. Mai, A. E. E. Rogers, J. G. Hartnett, M. E. Tobar, and N. Nand, Publ. Astron. Soc. Pac. 123, 582 (2011).
[CrossRef]

Nand, N. R.

J. G. Hartnett, N. R. Nand, and C. Lu, Appl. Phys. Lett. 100, 183501 (2012).
[CrossRef]

N. R. Nand, J. G. Hartnett, E. N. Ivanov, and G. Santarelli, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 59, 2978 (2011).
[CrossRef]

Nemitz, N.

V. Gerginov, N. Nemitz, S. Weyers, R. Schröder, R. D. Griebsch, and R. Wynands, Metrologia 47, 65 (2010).
[CrossRef]

Nevsky, A. Y.

C. Eisele, A. Y. Nevsky, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 103, 090401 (2009).
[CrossRef]

Nicholson, T.

T. Nicholson, M. Martin, J. Williams, B. Bloom, M. Bishof, M. Swallows, S. Campbell, and J. Ye, Phys. Rev. Lett. 109, 230801 (2012).
[CrossRef]

Oates, C. W.

N. Hinkley, J. A. Sherman, N. B. Phillips, M. Schioppo, N. D. Lemke, K. Beloy, M. Pizzocaro, C. W. Oates, and A. D. Ludlow, Science 341, 1215 (2013).
[CrossRef]

Oxborrow, M.

S. Grop, W. Schäfer, P. Y. Bourgeois, N. Bazin, Y. Kersalé, M. Oxborrow, E. Rubiola, and V. Giordano, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 58, 1694 (2011).
[CrossRef]

Phillips, N. B.

N. Hinkley, J. A. Sherman, N. B. Phillips, M. Schioppo, N. D. Lemke, K. Beloy, M. Pizzocaro, C. W. Oates, and A. D. Ludlow, Science 341, 1215 (2013).
[CrossRef]

Pizzocaro, M.

N. Hinkley, J. A. Sherman, N. B. Phillips, M. Schioppo, N. D. Lemke, K. Beloy, M. Pizzocaro, C. W. Oates, and A. D. Ludlow, Science 341, 1215 (2013).
[CrossRef]

Pradl, O.

Rey, A. M.

M. J. Martin, M. Bishof, M. D. Swallows, X. Zhang, C. Benko, J. von Stecher, A. V. Gorshkov, A. M. Rey, and J. Ye, Science 341, 632 (2013).
[CrossRef]

Riehle, F.

W. Zhang, M. J. Martin, C. Benko, J. L. Hall, J. Ye, C. Hagemann, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, G. D. Cole, and M. Aspelmeyer, Opt. Lett. 39, 1980 (2014).
[CrossRef]

C. Hagemann, C. Grebing, T. Kessler, S. Falke, N. Lemke, C. Lisdat, H. Schnatz, F. Riehle, and U. Sterr, IEEE Trans. Instrum. Meas. 62, 1556 (2013).
[CrossRef]

T. Kessler, C. Hagemann, C. Grebing, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, M. J. Martin, L. Chen, and J. Ye, Nat. Photonics 6, 687 (2012).
[CrossRef]

S. Falke, H. Schnatz, J. S. R. Vellore Winfred, T. Middelmann, S. Vogt, S. Weyers, B. Lipphardt, G. Grosche, F. Riehle, U. Sterr, and C. Lisdat, Metrologia 48, 399 (2011).
[CrossRef]

Rogers, A. E. E.

S. Doeleman, T. Mai, A. E. E. Rogers, J. G. Hartnett, M. E. Tobar, and N. Nand, Publ. Astron. Soc. Pac. 123, 582 (2011).
[CrossRef]

Rosenband, T.

C. W. Chou, D. B. Hume, T. Rosenband, and D. J. Wineland, Science 329, 1630 (2010).
[CrossRef]

Rubiola, E.

S. Grop, W. Schäfer, P. Y. Bourgeois, N. Bazin, Y. Kersalé, M. Oxborrow, E. Rubiola, and V. Giordano, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 58, 1694 (2011).
[CrossRef]

Ruoso, G.

S. Seel, R. Storz, G. Ruoso, J. Mlynek, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 78, 4741 (1997).
[CrossRef]

Salomon, C.

G. Santarelli, P. Laurent, P. Lemonde, A. Clairon, A. G. Mann, S. Chang, A. N. Luiten, and C. Salomon, Phys. Rev. Lett. 82, 4619 (1999).
[CrossRef]

Santarelli, G.

N. R. Nand, J. G. Hartnett, E. N. Ivanov, and G. Santarelli, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 59, 2978 (2011).
[CrossRef]

G. Santarelli, P. Laurent, P. Lemonde, A. Clairon, A. G. Mann, S. Chang, A. N. Luiten, and C. Salomon, Phys. Rev. Lett. 82, 4619 (1999).
[CrossRef]

Schäfer, W.

S. Grop, W. Schäfer, P. Y. Bourgeois, N. Bazin, Y. Kersalé, M. Oxborrow, E. Rubiola, and V. Giordano, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 58, 1694 (2011).
[CrossRef]

Schiller, S.

C. Eisele, A. Y. Nevsky, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 103, 090401 (2009).
[CrossRef]

R. Storz, C. Braxmaier, K. Jäck, O. Pradl, and S. Schiller, Opt. Lett. 23, 1031 (1998).
[CrossRef]

S. Seel, R. Storz, G. Ruoso, J. Mlynek, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 78, 4741 (1997).
[CrossRef]

Schioppo, M.

N. Hinkley, J. A. Sherman, N. B. Phillips, M. Schioppo, N. D. Lemke, K. Beloy, M. Pizzocaro, C. W. Oates, and A. D. Ludlow, Science 341, 1215 (2013).
[CrossRef]

Schnatz, H.

C. Hagemann, C. Grebing, T. Kessler, S. Falke, N. Lemke, C. Lisdat, H. Schnatz, F. Riehle, and U. Sterr, IEEE Trans. Instrum. Meas. 62, 1556 (2013).
[CrossRef]

S. Falke, H. Schnatz, J. S. R. Vellore Winfred, T. Middelmann, S. Vogt, S. Weyers, B. Lipphardt, G. Grosche, F. Riehle, U. Sterr, and C. Lisdat, Metrologia 48, 399 (2011).
[CrossRef]

Schröder, R.

V. Gerginov, N. Nemitz, S. Weyers, R. Schröder, R. D. Griebsch, and R. Wynands, Metrologia 47, 65 (2010).
[CrossRef]

Seel, S.

S. Seel, R. Storz, G. Ruoso, J. Mlynek, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 78, 4741 (1997).
[CrossRef]

Sherman, J. A.

N. Hinkley, J. A. Sherman, N. B. Phillips, M. Schioppo, N. D. Lemke, K. Beloy, M. Pizzocaro, C. W. Oates, and A. D. Ludlow, Science 341, 1215 (2013).
[CrossRef]

Shiner, A.

P. Dubé, A. Madej, J. Bernard, L. Marmet, and A. Shiner, Appl. Phys. B 95, 43 (2009).
[CrossRef]

Sterr, U.

W. Zhang, M. J. Martin, C. Benko, J. L. Hall, J. Ye, C. Hagemann, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, G. D. Cole, and M. Aspelmeyer, Opt. Lett. 39, 1980 (2014).
[CrossRef]

S. Falke, N. Lemke, C. Grebing, B. Lipphardt, S. Weyers, V. Gerginov, N. Huntemann, C. Hagemann, A. Al-Masoudi, S. Häfner, S. Vogt, U. Sterr, and C. Lisdat, New J. Phys. 16, 073023 (2014).
[CrossRef]

C. Hagemann, C. Grebing, T. Kessler, S. Falke, N. Lemke, C. Lisdat, H. Schnatz, F. Riehle, and U. Sterr, IEEE Trans. Instrum. Meas. 62, 1556 (2013).
[CrossRef]

T. Kessler, C. Hagemann, C. Grebing, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, M. J. Martin, L. Chen, and J. Ye, Nat. Photonics 6, 687 (2012).
[CrossRef]

T. Kessler, T. Legero, and U. Sterr, J. Opt. Soc. Am. B 29, 178 (2012).
[CrossRef]

S. Falke, H. Schnatz, J. S. R. Vellore Winfred, T. Middelmann, S. Vogt, S. Weyers, B. Lipphardt, G. Grosche, F. Riehle, U. Sterr, and C. Lisdat, Metrologia 48, 399 (2011).
[CrossRef]

Storz, R.

R. Storz, C. Braxmaier, K. Jäck, O. Pradl, and S. Schiller, Opt. Lett. 23, 1031 (1998).
[CrossRef]

S. Seel, R. Storz, G. Ruoso, J. Mlynek, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 78, 4741 (1997).
[CrossRef]

Swallows, M.

T. Nicholson, M. Martin, J. Williams, B. Bloom, M. Bishof, M. Swallows, S. Campbell, and J. Ye, Phys. Rev. Lett. 109, 230801 (2012).
[CrossRef]

Swallows, M. D.

M. J. Martin, M. Bishof, M. D. Swallows, X. Zhang, C. Benko, J. von Stecher, A. V. Gorshkov, A. M. Rey, and J. Ye, Science 341, 632 (2013).
[CrossRef]

Tobar, M. E.

S. Doeleman, T. Mai, A. E. E. Rogers, J. G. Hartnett, M. E. Tobar, and N. Nand, Publ. Astron. Soc. Pac. 123, 582 (2011).
[CrossRef]

Vellore Winfred, J. S. R.

S. Falke, H. Schnatz, J. S. R. Vellore Winfred, T. Middelmann, S. Vogt, S. Weyers, B. Lipphardt, G. Grosche, F. Riehle, U. Sterr, and C. Lisdat, Metrologia 48, 399 (2011).
[CrossRef]

Vogt, S.

S. Falke, N. Lemke, C. Grebing, B. Lipphardt, S. Weyers, V. Gerginov, N. Huntemann, C. Hagemann, A. Al-Masoudi, S. Häfner, S. Vogt, U. Sterr, and C. Lisdat, New J. Phys. 16, 073023 (2014).
[CrossRef]

S. Falke, H. Schnatz, J. S. R. Vellore Winfred, T. Middelmann, S. Vogt, S. Weyers, B. Lipphardt, G. Grosche, F. Riehle, U. Sterr, and C. Lisdat, Metrologia 48, 399 (2011).
[CrossRef]

von Stecher, J.

M. J. Martin, M. Bishof, M. D. Swallows, X. Zhang, C. Benko, J. von Stecher, A. V. Gorshkov, A. M. Rey, and J. Ye, Science 341, 632 (2013).
[CrossRef]

Weyers, S.

S. Falke, N. Lemke, C. Grebing, B. Lipphardt, S. Weyers, V. Gerginov, N. Huntemann, C. Hagemann, A. Al-Masoudi, S. Häfner, S. Vogt, U. Sterr, and C. Lisdat, New J. Phys. 16, 073023 (2014).
[CrossRef]

S. Falke, H. Schnatz, J. S. R. Vellore Winfred, T. Middelmann, S. Vogt, S. Weyers, B. Lipphardt, G. Grosche, F. Riehle, U. Sterr, and C. Lisdat, Metrologia 48, 399 (2011).
[CrossRef]

V. Gerginov, N. Nemitz, S. Weyers, R. Schröder, R. D. Griebsch, and R. Wynands, Metrologia 47, 65 (2010).
[CrossRef]

Williams, J.

T. Nicholson, M. Martin, J. Williams, B. Bloom, M. Bishof, M. Swallows, S. Campbell, and J. Ye, Phys. Rev. Lett. 109, 230801 (2012).
[CrossRef]

Wineland, D. J.

C. W. Chou, D. B. Hume, T. Rosenband, and D. J. Wineland, Science 329, 1630 (2010).
[CrossRef]

Wynands, R.

V. Gerginov, N. Nemitz, S. Weyers, R. Schröder, R. D. Griebsch, and R. Wynands, Metrologia 47, 65 (2010).
[CrossRef]

Ye, J.

W. Zhang, M. J. Martin, C. Benko, J. L. Hall, J. Ye, C. Hagemann, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, G. D. Cole, and M. Aspelmeyer, Opt. Lett. 39, 1980 (2014).
[CrossRef]

M. J. Martin, M. Bishof, M. D. Swallows, X. Zhang, C. Benko, J. von Stecher, A. V. Gorshkov, A. M. Rey, and J. Ye, Science 341, 632 (2013).
[CrossRef]

T. Nicholson, M. Martin, J. Williams, B. Bloom, M. Bishof, M. Swallows, S. Campbell, and J. Ye, Phys. Rev. Lett. 109, 230801 (2012).
[CrossRef]

T. Kessler, C. Hagemann, C. Grebing, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, M. J. Martin, L. Chen, and J. Ye, Nat. Photonics 6, 687 (2012).
[CrossRef]

Zhang, W.

Zhang, X.

M. J. Martin, M. Bishof, M. D. Swallows, X. Zhang, C. Benko, J. von Stecher, A. V. Gorshkov, A. M. Rey, and J. Ye, Science 341, 632 (2013).
[CrossRef]

Appl. Phys. B (1)

P. Dubé, A. Madej, J. Bernard, L. Marmet, and A. Shiner, Appl. Phys. B 95, 43 (2009).
[CrossRef]

Appl. Phys. Lett. (1)

J. G. Hartnett, N. R. Nand, and C. Lu, Appl. Phys. Lett. 100, 183501 (2012).
[CrossRef]

IEEE Trans. Instrum. Meas. (1)

C. Hagemann, C. Grebing, T. Kessler, S. Falke, N. Lemke, C. Lisdat, H. Schnatz, F. Riehle, and U. Sterr, IEEE Trans. Instrum. Meas. 62, 1556 (2013).
[CrossRef]

IEEE Trans. Microwave Theory Tech. (1)

N. R. Nand, J. G. Hartnett, E. N. Ivanov, and G. Santarelli, IEEE Trans. Microwave Theory Tech. 59, 2978 (2011).
[CrossRef]

IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control (1)

S. Grop, W. Schäfer, P. Y. Bourgeois, N. Bazin, Y. Kersalé, M. Oxborrow, E. Rubiola, and V. Giordano, IEEE Trans. Ultrason. Ferroelectr. Freq. Control 58, 1694 (2011).
[CrossRef]

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

Metrologia (2)

S. Falke, H. Schnatz, J. S. R. Vellore Winfred, T. Middelmann, S. Vogt, S. Weyers, B. Lipphardt, G. Grosche, F. Riehle, U. Sterr, and C. Lisdat, Metrologia 48, 399 (2011).
[CrossRef]

V. Gerginov, N. Nemitz, S. Weyers, R. Schröder, R. D. Griebsch, and R. Wynands, Metrologia 47, 65 (2010).
[CrossRef]

Nat. Photonics (1)

T. Kessler, C. Hagemann, C. Grebing, T. Legero, U. Sterr, F. Riehle, M. J. Martin, L. Chen, and J. Ye, Nat. Photonics 6, 687 (2012).
[CrossRef]

New J. Phys. (1)

S. Falke, N. Lemke, C. Grebing, B. Lipphardt, S. Weyers, V. Gerginov, N. Huntemann, C. Hagemann, A. Al-Masoudi, S. Häfner, S. Vogt, U. Sterr, and C. Lisdat, New J. Phys. 16, 073023 (2014).
[CrossRef]

Opt. Lett. (2)

Phys. Rev. Lett. (4)

S. Seel, R. Storz, G. Ruoso, J. Mlynek, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 78, 4741 (1997).
[CrossRef]

G. Santarelli, P. Laurent, P. Lemonde, A. Clairon, A. G. Mann, S. Chang, A. N. Luiten, and C. Salomon, Phys. Rev. Lett. 82, 4619 (1999).
[CrossRef]

T. Nicholson, M. Martin, J. Williams, B. Bloom, M. Bishof, M. Swallows, S. Campbell, and J. Ye, Phys. Rev. Lett. 109, 230801 (2012).
[CrossRef]

C. Eisele, A. Y. Nevsky, and S. Schiller, Phys. Rev. Lett. 103, 090401 (2009).
[CrossRef]

Publ. Astron. Soc. Pac. (1)

S. Doeleman, T. Mai, A. E. E. Rogers, J. G. Hartnett, M. E. Tobar, and N. Nand, Publ. Astron. Soc. Pac. 123, 582 (2011).
[CrossRef]

Science (3)

M. J. Martin, M. Bishof, M. D. Swallows, X. Zhang, C. Benko, J. von Stecher, A. V. Gorshkov, A. M. Rey, and J. Ye, Science 341, 632 (2013).
[CrossRef]

C. W. Chou, D. B. Hume, T. Rosenband, and D. J. Wineland, Science 329, 1630 (2010).
[CrossRef]

N. Hinkley, J. A. Sherman, N. B. Phillips, M. Schioppo, N. D. Lemke, K. Beloy, M. Pizzocaro, C. W. Oates, and A. D. Ludlow, Science 341, 1215 (2013).
[CrossRef]

Other (1)

D. W. Allan and J. Barnes, in Proceedings of the 35th Annual Frequency Control Symposium(Electronic Industries Association, 1981), pp. 470–475.

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.

Response of silicon cavity temperature inferred from the laser frequency after the temperature Tcry of the cryogenic shield was increased by +100mK (black points). The red trace shows a fit of the expected response function. The inset shows the setup with the employed thermal shields represented by an equivalent electric circuit of the thermal model.

Fig. 2.
Fig. 2.

(a) Measured temperature deviation ΔTcryo of the cryogenic shield. The arrows indicate when the liquid nitrogen storage dewar of the cryostat was refilled. (b) Deviation ΔTcav of the cavity from zero-crossing temperature. (c) Absolute frequency of the laser stabilized to the silicon cavity with respect to the zero-crossing frequency ν(T0) at t=8d. The frequency was referenced to a hydrogen maser (moving average, window: 1000 s), which was referenced to the Cs fountain clock. The inset shows a zoom of Δν between days 56.5 and 63, including frequency data derived from comparison with the Sr87 optical lattice clock (red dots).

Fig. 3.
Fig. 3.

Measured cavity frequency Δν versus calculated cavity temperature offset ΔTcav from the CTE crossing (light-blue symbols) using the temporal data shown in Fig. 2, which start near label A. To describe the behavior expected from the silicon thermal expansion (dashed line), a constant drift of 8Hz/d (90μHz/s) had to be assumed (drift-removed data shown as dark-blue symbols). The characters refer to the temperature perturbations indicated in Fig. 2.

Fig. 4.
Fig. 4.

Fractional frequency instability of the frequency data shown in the inset of Fig. 2. The red curves show the Allan deviations of the two longest continuous data sets from the comparison to the Sr87 clock (during days 59 and 62). The black dashed lines show the expected instabilities of a typical hydrogen maser and the Sr87 clock. The blue dotted line shows the Allan deviation expected from thermal noise.

Equations (3)

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

Δν(Tcav)ν(T0)=ΔLL(T0)=12α(T0)ΔTcav2,
T˙pas=TcryTpasτ1TpasTcavτ2,
T˙cav=TpasTcavτ3,

Metrics