FC1500-Quantum
Complete Solution for Quantum 2.0 Applications
(Menlo Systems)
양자 컴퓨팅 및 광 시계를 위한 올인원 랙 마운트 시스템 - 주파수 콤 기준 7 CW 레이저 구성
FC1500-Quantum(FC1500 Quantum)은 랙 장착형 통합 시스템으로 넓은 주파수 범위의 초저 노이즈 주파수 콤과 CW 광원을 제공한다. 이는 Quantum 2.0 응용을 위해 설계된 초고안정 주파수 콤 기반 통합 시스템이다. 이온 또는 중성 원자 기반 양자 컴퓨터, 양자 광 시계, 원자 간섭계 실험 등 다양한 Quantum 응용에 맞게 Menlo Systems가 시스템을 맞춤 구성하고 실험용 광학 엔진을 제공한다. 시스템은 ORS(Optical Reference System) 기반 서브-Hz 선폭의 초안정 캐비티 안정화 레이저, 초저 노이즈 광 주파수 콤(FC1500-ULN 또는 SmartComb), 그리고 실험에 필요한 수의 CW 레이저로 구성된다.
Menlo Systems의 특허 주파수 콤 기술은 ORS의 스펙트럼 순도와 좁은 선폭, 높은 안정도를 전체 콤 스펙트럼으로 전달하며 위상 결맞음 손실 없이 RF 영역으로 분주(down-division)를 가능하게 한다. 이 스펙트럼 순도 전달 특성은 향후 확장성까지 고려한 설계이며, 잔여 콤 위상 노이즈(residual comb phase noise)는 현재까지 구현된 최고 안정도의 광 기준보다도 수 자릿수 낮은 수준이다. 이러한 특성은 광 시계에서 Dick effect를 최소화하고 광 및 마이크로파 큐비트의 높은 위상 결맞음을 확보하며 24/7 cycle-slip-free 드리프트 보정 레이저 운용을 가능하게 한다. FC1500-Quantum은 최첨단 Quantum 응용을 지원하고 성능을 향상시키기 위한 시스템이다.
주요 사양
- 절대 안정도 : <7 x 10-16 (1 s)
- 장기 안정도 : 사용자 제공 정밀 분광 신호 또는 SI 추적 GPS 수신기 기준(Adaptive De-drifting)
- 광 기준과 위상 결맞음된 초안정 μWave/RF 출력 신호
- 정밀 측정을 위한 최대 24채널 dead-time-free Lambda 주파수 카운터
- 레이저 파장 조정 및 모니터링용 OEM 웨이브미터
특징
- 물리 실험 패키지와 바로 연동 가능한 통합 솔루션
- 목표 CW 레이저 주파수 설정 유연성을 제공하는 최대 250 MHz 반복률
- 광 기준에서 CW 레이저로의 고충실도 스펙트럼 순도 전달
- 다양한 제조사의 CW 레이저 통합 지원
- mW - W 수준의 CW 출력
- 완전 랙 마운트 시스템
- 완전 원격 제어 기능
적용 분야
- Sr, Yb, Ca, Sr+ , Yb+ , Ba+ , Ca+ 등 원자 기반 시스템용 통합 솔루션 (Complete Solution for Sr, Yb, Ca, Sr+ , Yb+ , Ba+ , Ca+ , Others)
- Quantum 컴퓨팅, 센 및 시뮬레이션 (Quantum Computing, Sensing and Simulation)
- 광 원자 시계 운용 및 RF 다운컨버전, 시간 스케일 구현 (Optical Atomic Clocks Operation and RF Down-conversion and Time Scale Realization)
- 원자 간섭계 (Atom Interferometry)
- 다수 CW 레이저의 서브-Hz 제어를 위한 실험실 마스터 기준 (Laboratory Master Reference for Sub-Hz Control of multiple CW Lasers)
부가 기능 및 장점
- 충실도(Fidelity) 손실 없이 광 출력 확장 가능
- 계측용 광섬유 링크 네트워크(Metrological Fiber-link Network) 지원
성능 데이터
광 기준 시스템 : 1 s 에서 Mid-10⁻¹⁶ 수준의 주파수 안정도
FC1500-Quantum의 랙 장착형 ORS는 단측대(single-sideband) 광 위상 노이즈 전력 스펙트럼 밀도(PSD, power spectral density)와 분수 주파수 안정도(fractional frequency stability)를 기준으로 성능이 평가된다. Menlo Systems는 각 시스템에 대해 상세 분석을 수행하여 최상의 성능과 안정적인 연속 운용을 보장한다. ORS의 절대 노이즈 분석을 위해 three-cornered-hat 기법이 사용된다.
초저 노이즈 스펙트럼 순도 전달: 출하 전 Out-of-Loop 방식의 종합 성능 검증
초저 노이즈 주파수 콤은 기준 시스템(reference system)과의 비교를 통해 성능이 검증된다. 스펙트럼 순도 전달 성능은 단기 위상 노이즈와 장기 분수 주파수 안정도를 기준으로 분석되어 추가 노이즈(additive noise)가 무시할 수준임을 확인한다. 여기서는 FC1500-Quantum의 698 nm ECDL 잔여 위상 노이즈를 기준 시스템과 비교 측정하여 광 기준 시스템에서 중성 스트론튬(neutral strontium)의 고 Q-factor 시계 전이(clock transition)까지 위상 결맞음이 정확히 전달됨을 확인한다.
5개 CW 레이저의 PLL(Phase Lock Loops) 안정성: CW 레이저에 추가 노이즈를 거의 유입하지 않는 초고안정 PLL
특정 광 주파수의 순도를 모든 주파수로 위상 결맞음 상태로 전달하기 위해서는 완전 위상 잠금 시스템이 필수적이다. 여기서는 위상 잠금 루프의 견고성을 측정하여 추가 노이즈가 거의 없으며 CW 레이저가 안정적으로 제어됨을 확인한다.
시스템 구성도 - FC1500-Quantum
Exemplary System for Neutral Strontium
Electronics Rack
| (1) | 24” touchscreen for full system control and monitoring |
| (2) | SYNCRO 5-HU control electronics for CW lasers and Fiber noise cancellers |
| (3) | SYNCRO 3-HU control electronics for frequency comb |
| (4) | Radio frequency reference distribution |
| (5) | Frequency counter (up to 24 dead-time free channels, Lambda-type) |
| (6) | Pump diode drivers and controllers |
| (7) | PC with real-time signal analyzer |
| (8) | Power supply, Interlock, DC/DC converters |
| (9) | Chiller for optics rack units cooling |
Optics Rack
| (10) | Additional space for further units |
| (11) | Wavemeter (up to 8 channels) |
| (12) | CW lasers (up to 4 ECDLs or 2 High Power Lasers) |
| (13) | CW lasers (up to 4 ECDLs or 2 High Power Lasers) |
| (14) | Extended Optical Detection frequency comb extensions* |
| (15) | Extended Optical Detection frequency comb extensions |
| (16) | Ultrastable photonic μ-wave and radio frequency unit |
| (17) | Spectral Purity Transfer ultra-high stability frequency comb extension* |
| (18) | Ultra-low-noise frequency comb and f-2f interferometer. |
*The XOD is composed by an erbium-doped fiber amplifier and non-linear fibers for the generation of comb lines at the target frequency ranges (from 500 nm up to 2.1 um) and beat detection units for generation of RF beat notes. The SPT unit is similar to the XOD, but has means to ensure even higher stability at longer timescales and may include the most critical CW laser and Fiber Noise Canceller to deliver the sub-Hz and long-term stable light to the Physics package.
Optical Reference System Rack
| (19) | Oscilloscope |
| (20) | Ion getter pump controller |
| (21) | SYNCRO PDH locking electronics and ultra-low-RIN laser with driver |
| (22) | High-finesse Fabry-Perot cavity in vacuum assembly on active anti-vibration platform |
Specifications
모델 Model | FC1500-Quantum |
광 기준 시스템 (ORS) 자유 스펙트럼 범위 (FSR) Optical Reference System (ORS) FSR | 1.2 GHz or 3 GHz (Refer to ORS product lines) |
광 기준 안정도 Optical Reference Stability | <5 x 10⁻¹⁵ at 1s, down to <7 x 10⁻¹⁶ at 1sʳ (ORS option dependent) |
잔여 ORS 위상 노이즈 PSD Residual ORS Phase Noise PSD | <-5 dBc/Hz at 1 Hz; <-50 dBc/Hz at 100 Hz, <-80 dBc/Hz at 10 kHz (ORS option dependent) |
ORS 스퓨리어스 ORS Spurious | <-20 dBc (ORS-XTAL) |
콤 간격 - FSR Comb Spacing - FSR | 250 MHz, 125 MHz or 100 MHz |
분수 콤 안정도 (modADEV)¹ Fractional Comb Stability (modADEV) | <1 x 10⁻¹⁷ at 1 s, <5 x 10⁻¹⁸ at 100 sᵗ |
상대 분수 콤 정확도¹ Fractional Comb Accuracy (relative) | <1 x 10⁻¹⁸ for t > 100 sᵗ |
잔여 콤 라인 위상 노이즈 PSD¹ (Residual Comb lines Phase Noise PSD) | <-40 dBc/Hz at 1 Hz; <-60 dBc/Hz at 100 Hz, <-90 dBc/Hz at 10 kHz |
콤 선폭 Comb Linewidth | <1 Hz (with Menlo ORS) |
CW 레이저 스펙트럼 범위 CW Laser Spectral Range | Ultraviolet to Infrared (OEM integrated or user provided) |
CW 레이저 출력 CW Laser Power | From mW to Watt level (application and laser dependent) |
PLL 동작 특성 PLLs Behavior | Cycle-slip free for weeks at a time for all phase-lock-loopsᵞ |
옵션 Options | |
기준 시스템 Reference System | Menlo Systems ORS, ORS-Compact, ORS-Mini |
주파수 콤 Frequency Comb | Menlo Systems FC1500-250-ULN, FC1500-ULNPLUS, SmartComb |
광 주파수 확장 옵션 (500-2100nm) 각 콤 확장 모듈은 최적의 신호 대 잡음비(SNR, Signal-to-Noise Ratio)를 위해 설계됨 Optical Comb Extensions 500 – 2100 nm Each comb extension is tailored for optimum signal-to-noise ratio | XOD: eXtended Optical Detection unit Comprise high SNR integrated beat detection unit for CW laser phase locking SPT: Spectral Purity Transfer Unit For ultra-high stability operation – relevant for supporting state-of-art optical clocks and beyond |
임베디드 전자 시스템 Embedded Electronics | Modular Menlo Systems SYNCRO Electronics for phase-locking, signal amplification and distribution. Up to 8 or 12 CW laser controls per 5U SYNCRO unit (laser-type dependent). |
CW 레이저 CW Lasers | ECDLs and amplified systems, DFB-fiber lasers, Ti:Sapphire and other DPSS lasers (we select the optimal solution for your application) |
기타 Others | FNC: Fiber noise canceller for ultra-narrow linewidth signal delivery to user Physics package; Microwave: Ultra-stable RF and Microwave outputs; GPS: 10 MHz Frequency reference with SI-traceability GPS receiver; WLM-NIR / WLM-VIS: Rack-integrated wavemeter (configuration dependent) |
요구 사항 Requirements | |
동작 전압 Operating Voltage | 100/115/230 VAC |
전원 주파수 Frequency | 50 to 60 Hz |
소비 전력 Power Consumption | ~1 kW (configuration dependent) |
냉각 조건 Cooling Requirements | closed cycle chiller included (rack-mount or separate) |
동작 온도 Operating Temperature | 22 ± 5 °C |
크기/무게 Dimensions/Weight | 3×19” racks, each approx. 140 kg (configuration dependent) |
¹콤 안정도, 정확도 및 위상 노이즈는 두 콤이 ORS에 위상 잠금된 상태에서 기준(reference)과의 상한값 측정을 통해 측정된다. 절대 정확도는 사용자 실험 패키지 또는 RF기준(예: GPS 신호)에 의해 결정된다.
ʳORS 타입과 시스템 구성에 따라 달라질 수 있음
ᵗ콤 유형 및 시스템 구성에 따라 달라질 수 있음.
ᵞ연속적인 위상 결맞음 측정 및 중단 없는 스펙트럼 순도 전달을 가능하게 함
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