METHOD FOR MEASURING AND SUPPRESSING PHASE NOISE OF REPETITION RATE OF A FEMTOSECOND LASER BY OPTICAL FIBER DELAY LINE

펨토초 레이저의 반복률 위상 잡음 측정 방법은, 펨토초 레이저에 의해 생성된 광 펄스열의 제1 파장 성분 및 제2 파장 성분을 이용하여 결합 신호를 생성하는 단계, 상기 결합 신호를 제1 경로 및 제2 경로로 가이드하고, 상기 제1 경로의 신호를 지연시키고 주파수를 시프트한 후 상기 제2 경로의 신호와 서로 간섭시켜 간섭된 결합 신호를 출력하는 단계, 상기 간섭된 결합 신호를 상기 제1 파장 성분에 대응하는 제1 간섭 신호와 상기 제2 파장 성분에 대응하는 제2 간섭 신호로 분리하는 단계, 광전소자를 이용하여 상기 제1 간섭 신호 및 상기 제2 간섭 신호를 각각 제1 무선 주파수 신호 및 제2 무선 주파수 신호로 변환하는 단계, 및 혼합기를 이용하여 상기 제1 무선 주파수 신호 및 상기 제2 무선 주파수 신호로부터 반복률 주파수 잡음 성분을 포함하는 기저대역 신호를 검출하는 단계를 포함한다

Method and Apparatus for ultralow phase noise microwave oscillation using femtosecond mode-locked laser and flywheel effect of phase-locked loop

전자 신호원의 위상 잡음을 낮추기 위한 초저 위상 잡음 발진 방법 및 장치가 제시된다. 일 실시예에 따르면, 비선형 편광 회전을 이용한 모드 잠금 된 레이저를 이용하여 레이저 광 펄스를 생성하고, 외부 전압 제어 발진기와 상기 생성된 레이저 광 펄스 사이의 위상 차이를 검출한다. 이후, 검출된 상기 위상 차이 신호를 상기 외부 전압 제어 발진기에 피드백하여 상기 외부 전압 제어 발진기의 위상 잡음이 초저 위상 잡음을 갖는 광 펄스를 따라가도록 한다

PHASE DETECTOR AND PHASE DETECTING METHOD BETWEEN OPTICAL AND ELECTRONIC SIGNALS USING FIBER OPTIC-BASED BALANCED INTENSITY DETECTION

광섬유 광기반 균형 광세기 탐지법을 이용한 광신호와 전자신호 간 위상 탐지기 및 위상 탐지 방법이 개시된다. 레이저를 통해 발생되는 광 펄스열과 RF/마이크로파 간의 위상 차이를 탐지하는 위상 탐지기는 상기 레이저를 통해 입력되는 광 펄스를 순환시키는 서큘레이터, 상기 서큘레이터를 통해 입력되는 광 펄스의 파워를 반으로 나누어 제1 광 펄스 및 제 2 광 펄스를 생성하는 커플러, 루프 형태로 형성되고, 상기 커플러를 통해 입력되는 상기 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스를 각각 상기 루프의 반대방향으로 진행시킨 뒤 루프로 입력되는 전자신호에 의하여 위상이 변조되어 발생하는 광 위상 차이에 대한 정보를 상기 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스가 상기 커플러에서 다시 합쳐질 때 발생하는 간섭 현상을 이용하여 광 세기 차이에 대한 정보로 변환하는 루프 간섭계 및 상기 광 세기 차이에 대한 정보를 전기 신호로 변환함으로써 상기 광 펄스와 RF/마이크로파 간의 타이밍 오차에 해당하는 전기 신호를 검출하는 균형 광 검출기를 포함할 수 있다

Repetition rate stabilization of femtosecond lasers and ultra-low phase noise microwave generation and transfer

학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 기계공학과, 2016.2 ,[vii, 104 p. :]펨토초 모드 잠금된 레이저는 고정밀 분광학, 광 주파수 표준, 저잡음 마이크로파 신호의 생성, 광 아날로그 디지털 컨버터, 정밀 타이밍 네트워크 등 다양한 고정밀 시간/주파수 응용에서 광범위하게 이용되며, 기존의 방법으로는 달성 할 수 없었던 시스템 성능을 가능하게 해오고 있다. 모드 잠금된 레이저의 반복률 안정화는 다양한 시간/주파수 응용들을 위한 핵심 기술이다. 고성능 단기간(~10초 이하) 주파수 안정도를 위하여, 레이저의 반복률은 높은 Q 인자를 갖고 있는 RF/마이크로파 레퍼런스나 광학 레퍼런스 장치에 안정화되어야한다. 특별히 높은 Q 인자(~10^11)를 가진 초안정 공진기(페브리-페로 케비티), 마이크로 공진기와 같은 광학 레퍼런스 장치에 안정화된 연속파 레이저를 이용하면 최고 수준의 단기간 반복률 주파수 안정화가 가능하다. 하지만, 매우 높은 Q 인자를 가진 광학 공진기를 이용한 레이저 반복률 안정화 시스템은 정교한 광학 정렬에 민감하며, 복잡하고 비용이 많이 든다. 본 연구에서는 2.5 km 광섬유 지연 라인(Q ~10^10)을 이용한 새로운 전광섬유 기반 레이저 반복률 안정화 방법을 개발하였다. 본 방법을 이용하여 어븀 광섬유 레이저의 반복률을 안정화한 결과, 0.01초 동안 누적된 광 펄스열의 r.m.s. 절대 타이밍 지터는 0.98 펨토초를 가지며, 1초 까지 누적되어도 20 펨토초의 우수한 값을 가진다. 본 방법은 표준 광섬유 부품들을 이용하고 전광섬유 구조이므로, 매우 안정한 마이크로파 주파수나 아토초 광 펄스 타이밍 등이 필요한 다양한 광 주파수 빗 관련 응용들에 쉽게 사용될 수 있다. 또한 광섬유 지연 라인 기술을 이용하여, 모드 잠금된 레이저 오실레이터와 수퍼컨티늄의 타이밍 지터를 별도의 레퍼런스 신호원 없이 매우 높은 분해능으로 측정하는 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 모드 잠금된 레이저를 이용한 다양한 마이크로파 광학 응용기술들을 보여준다. 예를 들어 모드 잠금된 어븀 광섬유 레이저를 이용한 초저위상잡음을 가진 마이크로파 신호의 생성, 포항가속기연구소의 X선 자유전자 레이저를 위한 모드 잠금된 레이저 기반 원거리(~km) 광/RF 타이밍 동기화 테스트 시스템 구축 등의 연구를 수행하였다. 더욱 구체적으로, 마이크로파 신호와 광 펄스열 사이의 타이밍을 매우 높은 분해능으로 직접 검출하는 위상 검출기(FLOM-PD)를 개발하였다. FLOM-PD를 이용한 위상 동기 루프에 의하여 동기화된 10 GHz 마이크로파 신호와 77.5 MHz 광 펄스열 사이의 잔류 위상 잡음 플로어는 10 GHz 반송자 주파수에서 -158 dBc/Hz의 매우 낮은 값을 가지며, 1 Hz부터 10 MHz까지 적분된 r.m.s. 잔류 타이밍 지터는 0.67 펨토초를 갖는다. 간단한 자유 발진 모드 잠금된 어븀 광섬유 레이저에 안정화된 10 GHz 마이크로파 발진기의 절대 위상 잡음은 10 kHz 오프셋 주파수에서 -142 dBc/Hz 이며, 100 kHz 오프셋 주파수에서는 -157 dBc/Hz 이다. 10 kHz부터 10 MHz까지 적분된 r.m.s. 절대 타이밍 지터는 0.49 펨토초 이다.한국과학기술원 :기계공학과