OSA's Digital Library

Optics Express

Optics Express

  • Editor: C. Martijn de Sterke
  • Vol. 18, Iss. 26 — Dec. 20, 2010
  • pp: 27858–27871

A new method for locking the signal-field phase difference in a type-II optical parametric oscillator above threshold

Matthew Pysher, Yoshichika Miwa, Reihaneh Shahrokhshahi, Daruo Xie, and Olivier Pfister  »View Author Affiliations


Optics Express, Vol. 18, Issue 26, pp. 27858-27871 (2010)
http://dx.doi.org/10.1364/OE.18.027858


View Full Text Article

Enhanced HTML    Acrobat PDF (1280 KB)





Browse Journals / Lookup Meetings

Browse by Journal and Year


   


Lookup Conference Papers

Close Browse Journals / Lookup Meetings

Article Tools

Share
Citations

Abstract

We propose and demonstrate a new method for phaselocking the signal fields emitted above threshold by a nondegenerate, type-II optical parametric oscillator (OPO). This method is based on the observation that amplitude modulation of the pump beam produces a related modulation of the frequency difference of the OPO signals via the temperature-tuning of the index of refraction in the nonlinear crystal. We successfully use pump modulation as a correction for phase-difference locking of the OPO signals and observe a 1 kHz beat note stable over more than 10 s, both figures solely limited by the measurement time. This method eliminates the need for applying electronic phase-correction signals directly to the nonlinear crystal which caused crystal damage in a previous phaselocking technique.

© 2010 Optical Society of America

OCIS Codes
(160.2100) Materials : Electro-optical materials
(190.4870) Nonlinear optics : Photothermal effects
(190.4970) Nonlinear optics : Parametric oscillators and amplifiers

ToC Category:
Nonlinear Optics

History
Original Manuscript: October 20, 2010
Revised Manuscript: December 9, 2010
Manuscript Accepted: December 13, 2010
Published: December 17, 2010

Citation
Matthew Pysher, Yoshichika Miwa, Reihaneh Shahrokhshahi, Daruo Xie, and Olivier Pfister, "A new method for locking the signal-field phase difference in a type-II optical parametric oscillator above threshold," Opt. Express 18, 27858-27871 (2010)
http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-18-26-27858


Sort:  Author  |  Year  |  Journal  |  Reset  

References

  1. B. P. Abbott, R. Abbott, R. Adhikari, P. Ajith, B. Allen, G. Allen, R. S. Amin, S. B. Anderson, W. G. Anderson, M. A. Arain, M. Araya, H. Armandula, P. Armor, Y. Aso, S. Aston, P. Aufmuth, C. Aulbert, S. Babak, P. Baker, S. Ballmer, C. Barker, D. Barker, B. Barr, P. Barriga, L. Barsotti, M. A. Barton, I. Bartos, R. Bassiri, M. Bastarrika, B. Behnke, M. Benacquista, J. Betzwieser, P. T. Beyersdorf, I. A. Bilenko, G. Billingsley, R. Biswas, E. Black, J. K. Blackburn, L. Blackburn, D. Blair, B. Bland, T. P. Bodiya, L. Bogue, R. Bork, V. Boschi, S. Bose, P. R. Brady, V. B. Braginsky, J. E. Brau, D. O. Bridges, M. Brinkmann, A. F. Brooks, D. A. Brown, A. Brummit, G. Brunet, A. Bullington, A. Buonanno, O. Burmeister, R. L. Byer, L. Cadonati, J. B. Camp, J. Cannizzo, K. C. Cannon, J. Cao, L. Cardenas, S. Caride, G. Castaldi, S. Caudill, M. Cavaglià, C. Cepeda, T. Chalermsongsak, E. Chalkley, P. Charlton, S. Chatterji, S. Chelkowski, Y. Chen, N. Christensen, C. T. Y. Chung, D. Clark, J. Clark, J. H. Clayton, T. Cokelaer, C. N. Colacino, R. Conte, D. Cook, T. R. C. Corbitt, N. Cornish, D. Coward, D. C. Coyne, J. D. E. Creighton, T. D. Creighton, A. M. Cruise, R. M. Culter, A. Cumming, L. Cunningham, S. L. Danilishin, K. Danzmann, B. Daudert, G. Davies, E. J. Daw, D. DeBra, J. Degallaix, V. Dergachev, S. Desai, R. DeSalvo, S. Dhurandhar, M. Díaz, A. Dietz, F. Donovan, K. L. Dooley, E. E. Doomes, R. W. P. Drever, J. Dueck, I. Duke, J.-C. Dumas, J. G. Dwyer, C. Echols, M. Edgar, A. Effler, P. Ehrens, E. Espinoza, T. Etzel, M. Evans, T. Evans, S. Fairhurst, Y. Faltas, Y. Fan, D. Fazi, H. Fehrmenn, L. S. Finn, K. Flasch, S. Foley, C. Forrest, N. Fotopoulos, A. Franzen, M. Frede, M. Frei, Z. Frei, A. Freise, R. Frey, T. Fricke, P. Fritschel, V. V. Frolov, M. Fyffe, V. Galdi, J. A. Garofoli, I. Gholami, J. A. Giaime, S. Giampanis, K. D. Giardina, K. Goda, E. Goetz, L. M. Goggin, G. González, M. L. Gorodetsky, S. Goßler, R. Gouaty, A. Grant, S. Gras, C. Gray, M. Gray, R. J. S. Greenhalgh, A. M. Gretarsson, F. Grimaldi, R. Grosso, H. Grote, S. Grunewald, M. Guenther, E. K. Gustafson, R. Gustafson, B. Hage, J. M. Hallam, D. Hammer, G. D. Hammond, C. Hanna, J. Hanson, J. Harms, G. M. Harry, I. W. Harry, E. D. Harstad, K. Haughian, K. Hayama, J. Heefner, I. S. Heng, A. Heptonstall, M. Hewitson, S. Hild, E. Hirose, D. Hoak, K. A. Hodge, K. Holt, D. J. Hosken, J. Hough, D. Hoyland, B. Hughey, S. H. Huttner, D. R. Ingram, T. Isogai, M. Ito, A. Ivanov, B. Johnson, W. W. Johnson, D. I. Jones, G. Jones, R. Jones, L. Ju, P. Kalmus, V. Kalogera, S. Kandhasamy, J. Kanner, D. Kasprzyk, E. Katsavounidis, K. Kawabe, S. Kawamura, F. Kawazoe, W. Kells, D. G. Keppel, A. Khalaidovski, F. Y. Khalili, R. Khan, E. Khazanov, P. King, J. S. Kissel, S. Klimenko, K. Kokeyama, V. Kondrashov, R. Kopparapu, S. Koranda, D. Kozak, B. Krishnan, R. Kumar, P. Kwee, P. K. Lam, M. Landry, B. Lantz, A. Lazzarini, H. Lei, M. Lei, N. Leindecker, I. Leonor, C. Li, H. Lin, P. E. Lindquist, T. B. Littenberg, N. A. Lockerbie, D. Lodhia, M. Longo, M. Lormand, P. Lu, M. Lubinski, A. Lucianetti, H. Lück, B. Machenschalk, M. MacInnis, M. Mageswaran, K. Mailand, I. Mandel, V. Mandic, S. Márka, Z. Márka, A. Markosyan, J. Markowitz, E. Maros, I. W. Martin, R. M. Martin, J. N. Marx, K. Mason, F. Matichard, L. Matone, R. A. Matzner, N. Mavalvala, R. McCarthy, D. E. McClelland, S. C. McGuire, M. McHugh, G. McIntyre, D. J. A. McKechan, K. McKenzie, M. Mehmet, A. Melatos, A. C. Melissinos, D. F. Menéndez, G. Mendell, R. A. Mercer, S. Meshkov, C. Messenger, M. S. Meyer, J. Miller, J. Minelli, Y. Mino, V. P. Mitrofanov, G. Mitselmakher, R. Mittleman, O. Miyakawa, B. Moe, S. D. Mohanty, S. R. P. Mohapatra, G. Moreno, T. Morioka, K. Mors, K. Mossavi, C. M. Lowry, G. Mueller, H. Müller-Ebhardt, D. Muhammad, S. Mukherjee, H. Mukhopadhyay, A. Mullavey, J. Munch, P. G. Murray, E. Myers, J. Myers, T. Nash, J. Nelson, G. Newton, A. Nishizawa, K. Numata, J. O’Dell, B. O’Reilly, R. O’Shaughnessy, E. Ochsner, G. H. Ogin, D. J. Ottaway, R. S. Ottens, H. Overmier, B. J. Owen, Y. Pan, C. Pankow, M. A. Papa, V. Parameshwaraiah, P. Patel, M. Pedraza, S. Penn, A. Perraca, V. Pierro, I. M. Pinto, M. Pitkin, H. J. Pletsch, M. V. Plissi, F. Postiglione, M. Principe, R. Prix, L. Prokhorov, O. Punken, V. Quetschke, F. J. Raab, D. S. Rabeling, H. Radkins, P. Raffai, Z. Raics, N. Rainer, M. Rakhmanov, V. Raymond, C. M. Reed, T. Reed, H. Rehbein, S. Reid, D. H. Reitze, R. Riesen, K. Riles, B. Rivera, P. Roberts, N. A. Robertson, C. Robinson, E. L. Robinson, S. Roddy, C. Röver, J. Rollins, J. D. Romano, J. H. Romie, S. Rowan, A. Rüdiger, P. Russell, K. Ryan, S. Sakata, L. Sancho de la Jordana, V. Sandberg, V. Sannibale, L. Santamaría, S. Saraf, P. Sarin, B. S. Sathyaprakash, S. Sato, M. Satterthwaite, P. R. Saulson, R. Savage, P. Savov, M. Scanlan, R. Schilling, R. Schnabel, R. Schofield, B. Schulz, B. F. Schutz, P. Schwinberg, J. Scott, S. M. Scott, A. C. Searle, B. Sears, F. Seifert, D. Sellers, A. S. Sengupta, A. Sergeev, B. Shapiro, P. Shawhan, D. H. Shoemaker, A. Sibley, X. Siemens, D. Sigg, S. Sinha, A. M. Sintes, B. J. J. Slagmolen, J. Slutsky, J. R. Smith, M. R. Smith, N. D. Smith, K. Somiya, B. Sorazu, A. Stein, L. C. Stein, S. Steplewski, A. Stochino, R. Stone, K. A. Strain, S. Strigin, A. Stroeer, A. L. Stuver, T. Z. Summerscales, K.-X. Sun, M. Sung, P. J. Sutton, G. P. Szokoly, D. Talukder, L. Tang, D. B. Tanner, S. P. Tarabrin, J. R. Taylor, R. Taylor, J. Thacker, K. A. Thorne, A. Thüring, K. V. Tokmakov, C. Torres, C. Torrie, G. Traylor, M. Trias, D. Ugolini, J. Ulmen, K. Urbanek, H. Vahlbruch, M. Vallisneri, C. Van Den Broeck, M. V. van der Sluys, A. A. van Veggel, S. Vass, R. Vaulin, A. Vecchio, J. Veitch, P. Veitch, C. Veltkamp, A. Villar, C. Vorvick, S. P. Vyachanin, S. J. Waldman, L. Wallace, R. L. Ward, A. Weidner, M. Weinert, A. J. Weinstein, R. Weiss, L. Wen, S. Wen, K. Wette, J. T. Whelan, S. E. Whitcomb, B. F. Whiting, C. Wilkinson, P. A. Willems, H. R. Williams, L. Williams, B. Willke, I. Wilmut, L. Winkelmann, W. Winkler, C. C. Wipf, A. G. Wiseman, G. Woan, R. Wooley, J. Worden, W. Wu, I. Yakushin, H. Yamamoto, Z. Yan, S. Yoshida, M. Zanolin, J. Zhang, L. Zhang, C. Zhao, N. Zotov, M. E. Zucker, H. zur Mühlen, and J. Zweizig, "LIGO: the Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory," Rep. Prog. Phys. 72, 076901 (2009). [CrossRef]
  2. F. Acernese, P. Amico, M. Alshourbagy, F. Antonucci, S. Aoudia, P. Astone, S. Avino, L. Baggio, G. Ballardin, F. Barone, L. Barsotti, M. Barsuglia, Th. S. Bauer, S. Bigotta, M. A. Bizouard, C. Boccara, F. Bondu, L. Bosi, C. Bradaschia, J. F. J. van den Brand, S. Birindelli, S. Braccini, A. Brillet, V. Brisson, D. Buskulic, G. Cagnoli, E. Calloni, E. Campagna, F. Carbognani, F. Cavalier, R. Cavalieri, G. Cella, E. Cesarini, E. Chassande-Mottin, A.-C. Clapson, F. Cleva, E. Coccia, C. Corda, A. Corsi, F. Cottone, J.-P. Coulon, E. Cuoco, S. D’Antonio, A. Dari, V. Dattilo, M. Davier, M. del Prete, R. De Rosa, L. Di Fiore, A. Di Lieto, A. Di Virgilio, B. Dujardin, M. Evans, V. Fafone, I. Ferrante, F. Fidecaro, I. Fiori, R. Flaminio, J.-D. Fournier, S. Frasca, F. Frasconi, L. Gammaitoni, F. Garufi, E. Genin, A. Gennai, A. Giazotto, L. Giordano, V. Granata, C. Greverie, D. Grosjean, G. Guidi, S. Hamdani, S. Hebri, H. Heitmann, P. Hello, D. Huet, S. Kreckelbergh, P. La Penna, M. Laval, N. Leroy, N. Letendre, B. Lopez, M. Lorenzini, V. Loriette, G. Losurdo, J.-M. Mackowski, E. Majorana, C. N. Man, M. Mantovani, F. Marchesoni, F. Marion, J. Marque, F. Martelli, A. Masserot, F. Menzinger, L. Milano, Y. Minenkov, C. Moins, J. Moreau, N. Morgado, S. Mosca, B. Mours, I. Neri, F. Nocera, G. Pagliaroli, G. V. Pallottino, C. Palomba, F. Paoletti, S. Pardi, A. Pasqualetti, R. Passaquieti, D. Passuello, F. Piergiovanni, L. Pinard, R. Poggiani, M. Punturo, P. Puppo, S. van der Putten, P. Rapagnani, T. Regimbau, V. Reita, A. Remillieux, F. Ricci, I. Ricciardi, A. Rocchi, R. Romano, P. Ruggi, G. Russo, S. Solimeno, A. Spallicci, M. Tarallo, R. Terenzi, M. Tonelli, A. Toncelli, E. Tournefier, F. Travasso, C. Tremola, G. Vajente, D. Verkindt, F. Vetrano, A. Viceré, J.-Y. Vinet, H. Vocca, and M. Yvert, "The Virgo 3 km interferometer for gravitational wave detection," J. Opt. A, Pure Appl. Opt. 10, 064009 (2008). [CrossRef]
  3. R. Schnabel, "Gravitational wave detectors: Squeezing up the sensitivity," Nat. Phys. 4, 440-441 (2008). [CrossRef]
  4. K. Goda, O. Miyakawa, E. E. Mikhailov, S. Saraf, R. Adhikari, K. McKenzie, R. Ward, S. Vass, A. J. Weinstein, and N. Mavalvala, "A quantum-enhanced prototype gravitational-wave detector," Nat. Phys. 4, 472-476 (2008). [CrossRef]
  5. H. Vahlbruch, S. Chelkowski, B. Hage, A. Franzen, K. Danzmann, and R. Schnabel, "Demonstration of a Squeezed-Light-Enhanced Power- and Signal-Recycled Michelson Interferometer," Phys. Rev. Lett. 95, 211102 (2005). [CrossRef] [PubMed]
  6. K. McKenzie, D. A. Shaddock, D. E. McClelland, B. C. Buchler, and P. K. Lam, "Experimental Demonstration of a Squeezing-Enhanced Power-Recycled Michelson Interferometer for Gravitational Wave Detection," Phys. Rev. Lett. 88, 231102 (2002). [CrossRef] [PubMed]
  7. E. J. Mason, and N. C. Wong, "Observation of two distinct phase states in a self-phase-locked type II phase-matched optical parametric oscillator," Opt. Lett. 23, 1733-1735 (1998). [CrossRef]
  8. S. Feng, and O. Pfister, "Realization of an ultrastable twin-beam source for continuous-variable entanglement of bright beams," in Quantum Communication and Quantum Imaging, R. E. Meyers, and Y. Shih, eds., Proc. SPIE 5161, 109-115 (2004).
  9. J. Jing, S. Feng, R. Bloomer, and O. Pfister, "Experimental continuous-variable entanglement from a phase-difference-locked optical parametric oscillator," Phys. Rev. A 74, 041804 (2006). [CrossRef]
  10. G. Keller, V. D’Auria, N. Treps, T. Coudreau, J. Laurat, and C. Fabre, "Experimental demonstration of frequency-degenerate bright EPR beams with a self-phase-locked OPO," Opt. Express 16, 9351-9356 (2008), http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?URI=oe-16-13-9351. [CrossRef] [PubMed]
  11. S. Feng, and O. Pfister, "Quantum interference of ultrastable twin optical beams," Phys. Rev. Lett. 92, 203601 (2004). [CrossRef] [PubMed]
  12. S. Feng, and O. Pfister, "Sub-shot-noise heterodyne polarimetry," Opt. Lett. 29, 2800-2802 (2004). [CrossRef] [PubMed]
  13. D. Budker, W. Gawlik, D. F. Kimball, S. M. Rochester, V. V. Yashchuk, and A. Weis, "Resonant nonlinear magneto-optical effects in atoms," Rev. Mod. Phys. 74, 1153-1201 (2002). [CrossRef]
  14. M. Hamichi, C. S. G. Cousins, R. E. Meads, B. J. Sheldon, J. Tea, and P. A. Thomas, "Structural response of KTiOPO4 to electric fields: Effects due to low frequency modulation," J. Appl. Phys. 76, 188-193 (1994). [CrossRef]
  15. K. McKenzie, M. B. Gray, P. K. Lam, and D. E. McClelland, "Nonlinear phase matching locking via optical readout," Opt. Express 14, 11256 (2006), http://www.opticsinfobase.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-14-23-11256-11264. [CrossRef] [PubMed]
  16. R. Holzwarth, Th. Udem, T. W. Hänsch, J. C. Knight, W. J. Wadsworth, and P. St. J. Russell, "Optical Frequency Synthesizer for Precision Spectroscopy," Phys. Rev. Lett. 85, 2264-2267 (2000). [CrossRef] [PubMed]
  17. See, for example,A. Yariv, "Electrooptic Modulation of Laser Beams," in Optical Electronics 3rd Ed. (Holt-Saunders, 1985), pp. 274-305.
  18. L. K. Cheng, L. T. Cheng, J. Galperin, P. A. Morris Hotsenpiller, and J. D. Bierlein, "Crystal growth and characterization of KTiOPO4 isomorphs from the self-fluxes," J. Cryst. Growth 137, 107-115 (1994). [CrossRef]
  19. A. Technologies Impedance Measurement Handbook, 5950-3000, 2nd Edition (2000). http://cp.literature.agilent.com/litweb/pdf/5950-3000.pdf.
  20. M. D. Reid, and P. D. Drummond, "Quantum correlations of phase in nondegenerate parametric oscillation," Phys. Rev. Lett. 60, 2731-2733 (1988). [CrossRef] [PubMed]
  21. L. Wang, Y. Men, H. Tian, Y. Wu, and X. Zhang, "Tolerance and tuning properties of the optical parametric processes using periodically poled RbTiOAsO4," Opt. Commun. 282, 1664-1667 (2009). [CrossRef]
  22. J. Laurat, L. Longchambon, C. Fabre, and T. Coudreau, "Experimental investigation of amplitude and phase quantum correlations in a type II optical parametric oscillator above threshold: from nondegenerate to degenerate operation," Opt. Lett. 30, 1177-1179 (2005). [CrossRef] [PubMed]
  23. R. W. P. Drever, J. L. Hall, F. V. Kowalski, J. Hough, G. M. Ford, A. J. Munley, and H. Ward, "Laser phase and frequency stabilization using an optical resonator," Appl. Phys. B 31, 97-105 (1983). [CrossRef]
  24. S. Feng, and O. Pfister, "Stable nondegenerate optical parametric oscillation at degenerate frequencies in Na:KTP," J. Opt. B Quantum Semiclassical Opt. 5, 262-267 (2003). [CrossRef]