[논문 리뷰] Optical frequency generation using fiber Bragg grating filters for applications in portable quantum sensing

C. D. Macrae, Kai Bongs외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 23.

Advanced Fiber Optic Sensors참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 단일 시드 섬유 레이저 시스템에서 유연하고 고대역폭의 광주파수 생성을 위한 섬유 브라그 격자(FBG) 기반 방법을 제시한다. 전기광학 변조기에서 발생하는 불필요한 사이드밴드를 FBG 필터를 사용해 억제함으로써, 시스템은 40 GHz 범위에서 50 ns의 주파수 스위칭 속도, 0.5 W 출력 전력, 120 dB의 감쇠 비율을 가지는 진폭 변조를 달성한다. 이는 이동 가능한 양자 센서링 응용 분야에서 강력하고 고성능의 레이저 냉각 및 라만 여기를 가능하게 한다. 루비디움 원자 간섭계에서의 응용을 위한 것이다.

ABSTRACT

A method for the agile generation of the optical frequencies required for laser cooling and atom interferometry of rubidium is demonstrated. It relies on fiber Bragg grating technology to filter the output of an electro-optic modulator and was demonstrated in a robust, alignment-free, single-seed, frequency-doubled, telecom fiber laser system. The system was capable of 50 ns frequency switching over a ~40 GHz range, ~0.5 W output power and amplitude modulation with a ~15 ns rise/fall time and an extinction ratio of 120 $\pm$ 2 dB. The technology is ideal for enabling high-bandwidth, mobile industrial and space applications of quantum technologies.

연구 동기 및 목표

• 이동 가능한 양자 센서링 응용 분야를 위한 컴팩트하고 견고하며 정렬이 필요 없는 레이저 시스템을 개발한다.
• 루비디움 기반 원자 간섭계와 레이저 냉각에서 요구되는 빠르고, 민감하고, 간섭계가 일치하는 광주파수 생성을 해결한다.
• 이전의 단일 시드 시스템에서의 한계, 즉 느린 스위칭 속도와 불필요한 광학 사이드밴드의 충분한 억제 부족 문제를 해결한다.
• 광학 셔터 없이도 고대역폭, 고감쇠 비율 펄스 생성을 가능하게 하여 측정 대역폭과 간섭계 일치성을 향상시킨다.
• 이동 및 우주 기반의 양자 기술에 적합한 확장 가능한 섬유 통합 솔루션을 시연한다.

제안 방법

• 이중 사이드밴드 광스펙트럼을 생성하기 위해 단일 1560 nm 시드 레이저와 전기광학 변조기(EOM)를 조합한다.
• 조절 가능한 중심 주파수를 가진 섬유 브라그 격자(FBG) 필터를 사용해 원하는 사이드밴드만 선택적으로 반사하고, 캐리어 및 기타 사이드밴드를 억제한다.
• 50–60 GHz 조절 범위와 50 MHz–50 GHz 반사 대역폭을 가진 열 제어 FBG를 사용해 불필요한 주파수에 대해 20 dB 이상의 감쇠를 달성한다.
• 광학 순환기(optical circulators)를 활용해 반사된(필터링된) 신호와 입력 신호를 분리함으로써, 주파수 변환 후 780 nm에서 효율적인 단일 사이드밴드 출력을 실현한다.
• 직접 디지털 합성(DDS)을 사용해 고속 RF 위상 및 진폭 제어를 수행함으로써, 50 ns 이내의 주파수 및 진폭 스위칭을 가능하게 한다.
• 비선형 결정에서의 합성 주파수 생성을 활용해, 주파수 변환 이전에 1560 nm에서 변조함으로써 780 nm에서 고감쇠 비율 진폭 변조를 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 섬유 브라그 격자 필터링을 통해 컴팩트하고 단일 시드 섬유 레이저 시스템에서 고감쇠, 빠른 주파수 스위칭이 가능한 단일 사이드밴드 광주파수 생성이 가능한가?
• RQ2 이전의 단일 시드 시스템에서 Fabry-Perot 필터나 광학 셔터를 사용한 경우에 비해, FBG 기반 필터링은 스위칭 속도 향상과 사이드밴드 억제에 얼마나 기여하는가?
• RQ3 시스템은 냉각된 루비디움 원자에서 고정밀 레이저 냉각 및 라만 여기를 위해 충분한 위상 일치성과 감쇠 비율을 확보할 수 있는가?
• RQ4 추가의 FBG나 EOM 고조파를 적용할 경우 FBG 필터링의 성능은 어떻게 스케일링되며, 다중 독립적 광출력을 지원할 수 있는가?
• RQ5 시드 파장과 FBG 파rameter를 조절함으로써 이 방법을 다른 원자 종이나 양자 시스템으로 확장할 수 있는가?

주요 결과

• 시스템은 이전의 단일 시드 시스템 대비 4000배 향상된 주파수 스위칭 속도를 기록하며, 40 GHz 범위에서 50 ns의 주파수 스위칭을 달성했다.
• 단일 사이드밴드 변조는 14.2 ± 0.3 ns의 상승 시간과 16.4 ± 0.2 ns의 하강 시간을 기록하여 고대역폭 펄스 생성이 가능했다.
• 측정된 감쇠 비율은 120 ± 2 dB로, 펄스 시퀀스 동안 신호 대 잡음비와 원자 간섭계 일치성을 크게 향상시켰다.
• 780 nm에서 불필요한 광주파수는 약 15.7 dB 감쇠되었으며, 추가의 FBG를 통해 더욱 향상될 수 있었다.
• 냉각된 루비디움 원자에서 라비 진동이 성공적으로 관측되어, 시스템의 원자 상태의 간섭계 제어 능력이 확인되었다.
• 광신호의 위상 노이즈는 20 kHz 오프셋까지 RF 소스의 특성을 정확히 따라가며, 위상 잠금 없이도 고정밀한 RF에서 광주파수로의 변환을 입증했다.