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A broadband chip-scale optical frequency synthesizer at 2.7 × 10−16 relative uncertainty

机译：相对不确定度为2.7×10-16的宽带芯片级光频率合成器

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摘要

Optical frequency combs—coherent light sources that connect optical frequencies with microwave oscillations—have become the enabling tool for precision spectroscopy, optical clockwork, and attosecond physics over the past decades. Current benchmark systems are self-referenced femtosecond mode-locked lasers, but Kerr nonlinear dynamics in high-Q solid-state microresonators has recently demonstrated promising features as alternative platforms. The advance not only fosters studies of chip-scale frequency metrology but also extends the realm of optical frequency combs. We report the full stabilization of chip-scale optical frequency combs. The microcomb’s two degrees of freedom, one of the comb lines and the native 18-GHz comb spacing, are simultaneously phase-locked to known optical and microwave references. Active comb spacing stabilization improves long-term stability by six orders of magnitude, reaching a record instrument-limited residual instability of 3.6mHz/τ. Comparing 46 nitride frequency comb lines with a fiber laser frequency comb, we demonstrate the unprecedented microcomb tooth-to-tooth relative frequency uncertainty down to 50 mHz and 2.7 × 10−16, heralding novel solid-state applications in precision spectroscopy, coherent communications, and astronomical spectrography.
机译：在过去的几十年中，光学频率梳（将光学频率与微波振荡相连接的相干光源）已成为精密光谱学，光学发条和阿秒物理学的使能工具。当前的基准系统是自参考的飞秒锁模激光器，但是高Q固态微谐振器中的Kerr非线性动力学最近已经证明具有可替代平台的功能。这一进步不仅促进了芯片级频率计量学的研究，而且扩展了光学频率梳的领域。我们报告了芯片级光学频率梳的完全稳定。微梳的两个自由度，一个是梳齿线，一个是18 GHz的自然梳齿间距，同时被锁相到已知的光学和微波参考上。主动梳齿间距的稳定将长期稳定性提高了六个数量级，达到了仪器极限的残余不稳定性 3.6 mHz / τ 。将46条氮化物频率梳线与光纤激光频率梳进行比较，我们展示了前所未有的微梳齿相对于50 mHz和2.7×10 −16 的相对频率不确定性，预示着新型的固态应用精密光谱学，相干通信和天文光谱学。

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