광섬유 펨토초 레이저로부터의 광주파수 생성에 대한 연구
Optical Frequency Generation from the Optical Comb of a
Fiber Femtosecond Laser
천병재, 김영진 , 김윤석, 현상원, 김승우 KAIST 극초단광학 초정밀기술 연구단
모드잠금된 펨토초 레이저의 광 빗(optical frequency comb) 안정화는 RF 주파수 시간 표준에 직접적으로 소급 하여 사용될 수 있다. 광주파수발생기(optical frequency generator)은 안정화된 광 빗의 특정 주파수를 높은 정 밀도로 증폭하여 사용하는 방법으로 주파수 영역에서의 기준 자(reference ruler)를 생성할 수 있는 장점을 가진 다. 광주파수발생기에 대한 기존 연구는 파장가변 가능한 광원을 Ti:Sapphire 펨토초 레이저에 위상잠금(phase locking)법을 사용하여 안정화 한 것과, 보다 발전되고 정밀한 방법으로 광 빗의 특정 주파수를 추출하여 다이오 드 레이저에 주입잠금(injection locking method)를 통해 증폭하여 사용한 예가 존재한다. 이중 주입잠금법을 사 용한 광주파수 발생기의 경우 안정화된 광 빗과 동일한 선폭과 절대 주파수 위치를 그대로 이용할 수 있다는 장점을 갖지만, 주입잠금법의 좁은 잠금영역(locking range)과 촘촘히 존재하는 광 빗에서 특정 주파수를 추출하 는 방법으로 사용된 분산 격자의 진동 민감성에 의해 환경 변화에 민감하여 낮은 안정성을 가진다는 문제를 나 타내었다. 이에 본 연구에서는 환경변화에 둔감한 광섬유로 이루어진 시스템을 구성하고, 주입잠금법과 위상잠 금법을 동시에 사용하는 광주입위상잠금회로(optical injection phase locked loop)를 이용하여 광 빗의 선폭과 주 파수 위치를 그대로 이용하며, 높은 안정성을 갖는 광주파수 발생기를 개발 하였다. Rb Clock Circulator Output PD FBG f-2f Interferometer SFPF PC PC Femtosecond Fiber Comb Diode Laser Phase Locked Loop
Current (a) (b) … 100 MHz … f // 50 GHz ① ② ③ ④ ① ② ③ ④ r f fo // // // f f f Rb Clock Circulator Output PD FBG f-2f Interferometer SFPF PC PC Femtosecond Fiber Comb Diode Laser Phase Locked Loop
Current (a) (b) … 100 MHz … f // // 50 GHz ① ② ③ ④ ① ② ③ ④ r f fo // // //// //// f f f
Fig. 1 Apparatus designed for optical frequency generation. (a), System block diagram (optical signals in red and electric signals in blue). (b), Mode extraction through two sequential filtering steps prior to final optical injection locking. Each of the encircled numbers, 1-4, indicates the location of the corresponding frequency spectrum. FBG: fiber Bragg grating, f: frequency, f0: carrier-offset frequency, fr: repetition rate,
PC: polarization controller, PD: photodetector, SFPF: scanning Fabry-Perot filter.
Fig. 1은 개발된 광주파수발생기의 광학 구성을 나타낸 것이다. 전체 시스템은 환경변화에 둔감한 광섬유로 구 성되었고, 주 레이저로는 안정화된 광섬유 펨토초 레이저, 종 레이저로는 광섬유 DFB(Distributed Feedback) 레 이저를 사용하였다. 먼저 주 레이저에서 생성된 광 빗은 SFPF(scanning Fabry-Perot filter)과 FBG(fiber bragg grating)을 통과하며 증폭을 원하는 광 빗 성분만이 주로 추출되게 된다. 추출된 광빗은 종 레이저로 입사하여 주입잠금된다. 주입잠금된 DFB 레이저에서 생성된 빛은 circulator를 지나 일부는 광주입위상잠금회로의 신호생 성을 위한 PD로 진행하고, 나머지는 최종 출력광량으로 사용된다. PD에서는 광 빗과 주입잠금을 통해 선택 및 증폭된 광 빗의 특정 성분 사이의 간섭 맥놀이 주파수를 검출하며, 주입잠금된 이후의 맥놀이 주파수는 광 빗의 모드간 주파수 간격을 결정하는 fr(repetition rate)과 동일하다. 광주입위상잠금회로에서는 PD에서 생성된 맥놀 이 신호와 광섬유 펨토초 레이저에서 생성되는 fr의 위상을 서로 비교하여 차이가 존재하면 종 레이저인 DFB 레이저의 발진 파장을 조절하여 주입잠금 상태가 유지되도록 만들어 준다. 개발된 광주파수 발생기의 주파수 안정도를 안정화된 광섬유 펨토초 레이저의 광 빗과 비교하여 측정해 본 결 과가 Fig. 2 에 나타나 있다. 실험결과 24시간 이상의 장기간 동안 잠금이 유지되는 것을 알 수 있었고, 이때 주 파수 안정도는 10초에서 × 으로 안정화된 광 빗의 안정도가 10초에서 × 임을 고려하였을 때 주파수 잠금이 장기간 지속적으로 유지됨을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 개발된 높은 안정성을 갖는 광주파 수 발생기는 거리 측정, 길이 표준, 정밀 분광 등의 광원으로 사용될 수 있으며, 산업적, 학문적 응용분야가 크 게 넓어질 것이라 기대할 수 있다. 1 10 100 1000 10000 10-16 10-15 10-14 A lla n D evi at io n Averaging Time (s) a b 0 3 6 9 12 15 18 21 24 -15 0 15 Fr eq uen cy Var iat io n ( H z) Time (hours) 1 10 100 1000 10000 10-16 10-15 10-14 A lla n D evi at io n Averaging Time (s) a b 0 3 6 9 12 15 18 21 24 -15 0 15 Fr eq uen cy Var iat io n ( H z) Time (hours) (a) (b)
Fig. 2 Stability test result of the generated output signal. (a) Time trace of frequency fluctuation at a sampling rate of 0.5 s over a period of 24 hours. (b) Allan deviations of frequency instability with varying
average time. 참고문헌
1. Y. J. Kim. Y. Kim, B. J. Chun, S. Hyun, S. W. Kim, "All-fiber-based optical frequency generation from an Er-doped fiber femtosecond laser," Optics express, Vol.17, No.13, 2009
2. Y. J. Kim, J. Jin, Y. Kim, S. Hyun, S. W. Kim, “A Wide-range Optical Frequency Generator Based on the Frequency Comb of a Femtosecond Laser,” Optics Express, 16(1), 258-264, 2008
3. Cyril C. Renaud, Michael Duser, Claudio F. C. Silva, B. Puttnam, T. Lovell, Polina Bayvel, Alwyn J. Seeds, "Nanosecond Channel-Switching Exact Optical Frequency Synthesizer Using an Optical Injection Phase-Locked Loop(OIPLL)," IEEE Photonics Technology Letters, Vol.16, No.3, 2004
