[논문 리뷰] Fully-correlated pumping for dual-frequency VECSELs dedicated to cesium CPT clocks

Grégory Gredat, Debanuj Chatterjee외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 10.

Semiconductor Lasers and Optical Devices참고 문헌 9인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 852 nm에서 동작하는 双주기 VECSEL을 위한 완전히 상관된 다중모드 펌프 스킴을 제안한다. 단일 다중모드 레이저 다이오드의 진폭 분할을 통해 두 개의 공간적으로 분리된, 동위상인 상관된 펌프 빔을 생성한다. 이 방법은 10 kHz–20 MHz 범위에서 비트 노트 위상 잡음에 10–20 dB의 감소를 달성하여 세슘 CPT 원자 시계에 필수적인 저잡음 작동을 가능하게 한다.

ABSTRACT

We report a fully-correlated multi-mode pumping architecture optimized for dramatic noise reduction of a class-A dual-frequency Vertical External Cavity Surface Emitting Laser (VECSEL). Thanks to amplitude division of a laser diode, the two orthogonally polarized modes emitted by the VECSEL oscillating at 852 nm are separately pumped by two beams exhibiting fully in--phase correlated intensity noises. This is shown to lead to very strong and in-phase correlations between the two lasing modes intensities. As a result, the phase noise power spectral density of the RF beat note generated by the two modes undergoes a drastic reduction of about 10 to 20 dB throughout the whole frequency range from 10 kHz to 20 MHz and falls below the detection floor above a few MHz. A good agreement is found with a model which uses the framework of rate equations coupled by cross--saturation. The remaining phase noise is attributed to thermal effects and additional technical noises and lies mainly within the bandwidth of a phase-locked-loop.

연구 동기 및 목표

• 세슘 CPT 시계 응용을 위한 852 nm에서 동작하는 이중주기 VECSEL의 저위상 잡음 달성 과제 해결.
• 852 nm에서 고출력 단일모드 섬유 펌프 레이저가 가용하지 않은 제약 극복.
• 서로 수직 편광된 레이저 모드 간의 교차포화를 최소화하고 동시에 동위상 강도 잡음 상관도를 최대화.
• 단일모드 펌프 소스를 요구하지 않는 실용적인 다중모드 펌프 아키텍처 개발.
• 이중주기 VECSEL의 정밀 마이크로파 photonics 및 원자 주파수 기준 응용 가능화.

제안 방법

• 다중모드 레이저 다이오드 빔의 진폭 분할을 이용해 두 개의 동일한, 공간적으로 분리된 펌프 빔 생성.
• 각 펌프 빔을 VECSEL 내의 별개의 레이저 모드(수직 편광)에 직접 커플링하여 동일한 시간적 강도 잡음 특성 확보.
• 두 펌프 영역 간에 98%의 동위상 강도 잡음 상관도(η = 0.98, Ψ = 0°) 달성.
• 펌프 점을 공간적으로 분리하여 증폭 경쟁을 최소화해 교차포화(C = 0.05)를 감소.
• 자유 스펙트럴 범위를 제어하고 수백 MHz 범위의 비트 노트를 생성하기 위해 YAG 에탈론(100 µm 두께) 사용.
• 교차포화 항을 포함한 비율 방정식 모델링을 통해 시스템 모델링하고, 2차 저역통과 필터 근사법을 통해 열잡음을 포함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 단일모드 펌프 레이저가 존재하지 않는 상황에서도 완전히 동위상 상관된 다중모드 펌프가 852 nm에서 이중주기 VECSEL의 위상 잡음을 감소시킬 수 있는가?
• RQ2 펌프 영역 간의 강도 잡음 상관도가 RF 비트 노트의 위상 잡음을 어느 정도 억제할 수 있는가?
• RQ3 두 레이저 모드 간의 교차포화가 위상 잡음에 미치는 영향은 무엇이며, 공간적으로 분리된 펌프로 이를 최소화할 수 있는가?
• RQ4 열효과와 기술적 잡음이 잔여 위상 잡음 바닥을 제한하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 이 펌프 아키텍처는 단일모드 펌프 레이저가 가용하지 않거나 출력이 부족한 다른 파장으로 일반화될 수 있는가?

주요 결과

• 완전히 상관된 펌프 스킴은 10 kHz에서 20 MHz 범위에서 RF 비트 노트의 위상 잡음 파wer 스펙트럼 밀도를 10–20 dB 감소시켰다.
• 측정된 위상 잡음은 수 MHz 이상에서 검출 한계 이하로 떨어져 고주파수 영역에서 거의 양자한계 성능임을 시사한다.
• 두 펌프 빔 간의 강도 잡음 상관도는 η = 0.98, 상대 위상 Ψ = 0°에 도달하여 강한 동위상 상관을 확인했다.
• 교차포화는 C = 0.05로 최소화되어 두 레이저 모드 간의 약한 증폭 경쟁을 나타냈다.
• 실험적 위상 잡음 스펙트럼은 300 kHz 이하에서 f⁻³ 의 의존성을 보였고, 이론 모델은 f⁻⁴ 를 예측하여 열잡음 모델을 보완할 필요가 있음을 시사했다.
• 잔여 위상 잡음의 주요 원인은 열효과와 기술적 잡음이며, 대부분이 위상 잠금 루프(PLL)의 대역폭 내에 존재한다.