[논문]펨토초 레이저 광 빗 기반 광대역 광주파수 발생기

김영진; 김윤석; 현상원; 진종한; 김승우

펨토초 레이저 광 빗 기반 광대역 광주파수 발생기
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김영진 (KAIST 극초단광학 초정밀기술 연구단) , 김윤석 (KAIST 극초단광학 초정밀기술 연구단) , 현상원 (KAIST 극초단광학 초정밀기술 연구단) , 진종한 (KAIST 극초단광학 초정밀기술 연구단) , 김승우 (KAIST 극초단광학 초정밀기술 연구단)

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문제 정의

본 연구에서는 광 빗의 우수한 주파수 특성을 유지하는 동시에 원하는 임의의 단일 광주파수를 생성할 수 있는, 모드 증폭형 광주파수 발생기를 제안/개발하였다. 개발된 광주파수 발생기는 주파수 표준의 불확도를 10^-15 수준까지 성공적으로 유지하며, 선폭 역시 1 Hz 이하 수준까지 유지할 수 있음을 검증하였다.
본 연구에서는 광 빗의 원하는 모드만을 선택/추출한 후 이를 증폭하여 원하는 단일 광주파수를 생성하는 모드 증폭형 광주파수 발생기를 제안한다. 이와 같은 광주파수 발생기는 우수한 주파수 정확도와 안정도를 가지며, 수 mW 이상의 광출력과 단색광 특성을 유지하는 동시에 파장가변하므로 정밀 분광학, 광주파수 측정/표준 및 절대거리 측정 등의 여러 분야에서 범용으로 사용될 것으로 기대된다.

제안 방법

모드 추출부는 수많은 광 빗의 주파수 모드들 중에서 원하는 단일 모드만을 선별하는 역할을 한다. 단일 광학필터를 이용하여 광 빗의 넓은 대역폭으로부터 원하는 하나의 모드만을 추출하는 것은 현재까지 불가능하므로, 본 연구에서는 회절격자-광섬유 필터와 가변 패브리 패롯 필터로 구성되는 이중 필터를 통해 원하는 파장대역을 선택/추출하였다.
Figure 4 는 모드 증폭형 광주파수 발생기의 주파수 특성을 평가한 결과를 보여준다. 평가는 광주파수 발생기의 주파수 정확도, 안정도 및 선폭 측면에서 진행되었으며, 이를 위해 최종 광주파수 발생기의 출력과 기준 광 빗 사이의 간섭 맥놀이 주파수를 획득하였다. Fig 4 (a), (b)는 주입잠금 전후의 맥놀이 주파수의 변화를 보여준다.

대상 데이터

Figure 3 은 본 연구에서 개발된 모드 증폭형 광주파수 발생기의 구성도이다. 사용한 펨토초 레이저는 800 nm 중심파장의 Ti:Sapphire 레이저로 80 MHz 의 반복률, 35 fs 의 펄스폭과 300 mW 의 광출력을 가진다. f_r과 f_o 는 각각 광검출기와 f-2f 간섭계를 통해 측정되어, 위상잠금회로(Phase Locked Loop : PLL)를 통해 주파수 안정도 기준 10^-12 이하 수준으로 루비듐 원자시계에 안정화 되었다.

성능/효과

본 연구에서는 광 빗의 우수한 주파수 특성을 유지하는 동시에 원하는 임의의 단일 광주파수를 생성할 수 있는, 모드 증폭형 광주파수 발생기를 제안/개발하였다. 개발된 광주파수 발생기는 주파수 표준의 불확도를 10^-15 수준까지 성공적으로 유지하며, 선폭 역시 1 Hz 이하 수준까지 유지할 수 있음을 검증하였다. 이와 같은 모드 증폭형 광주파수 발생기는 우수한 주파수 불확도와 선폭 특성을 바탕으로 정밀 분광, 시간/주파수 표준 및 절대거리 측정 등의 다양한 분야에서 극한의 성능을 실현하는 핵심적인 광원으로 자리잡을 것으로 기대된다.
Fig 4 (a), (b)는 주입잠금 전후의 맥놀이 주파수의 변화를 보여준다. 주입잠금 전에는 맥놀이 주파수의 선폭이 넓으며 빠르게 이동하는 경향을 보이나, 주입잠금 후에는 선폭이 좁아지는 동시에 맥놀이 주파수가 30 MHz 에 정확히 잠금 되었음을 확인할 수있다. 30 MHz 의 맥놀이 주파수를 통해 광주파수 발생기의 선폭 및 주파수 안정도를 확인할 수 있으며, 이는 각각 Fig.
증폭에 사용된 다이오드 레이저는 800~810 nm 의 파장가변 대역을 갖는 무반사 코팅된 파브리 패롯 형태의 다이오드 레이저이다. 주입잠금을 통해 다른 광증폭 방법에서 구현하기 어려운 50~60 dB 수준의 높은 증폭을 구현하였다. 주입잠금은 또한 다이오드 레이저의 공진기 구조를 통해 모드 추출부에서 완전히 제거되지 않은 기생모드들을 억제하는 역할 역시 수행하게 된다.

후속연구

본 연구에서는 광 빗의 원하는 모드만을 선택/추출한 후 이를 증폭하여 원하는 단일 광주파수를 생성하는 모드 증폭형 광주파수 발생기를 제안한다. 이와 같은 광주파수 발생기는 우수한 주파수 정확도와 안정도를 가지며, 수 mW 이상의 광출력과 단색광 특성을 유지하는 동시에 파장가변하므로 정밀 분광학, 광주파수 측정/표준 및 절대거리 측정 등의 여러 분야에서 범용으로 사용될 것으로 기대된다.
개발된 광주파수 발생기는 주파수 표준의 불확도를 10^-15 수준까지 성공적으로 유지하며, 선폭 역시 1 Hz 이하 수준까지 유지할 수 있음을 검증하였다. 이와 같은 모드 증폭형 광주파수 발생기는 우수한 주파수 불확도와 선폭 특성을 바탕으로 정밀 분광, 시간/주파수 표준 및 절대거리 측정 등의 다양한 분야에서 극한의 성능을 실현하는 핵심적인 광원으로 자리잡을 것으로 기대된다.

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