[논문 리뷰] Self-referencing a continuous-wave laser with electro-optic modulation

Katja Beha, Daniel C. Cole외 4명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 22.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 34인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 연속파(CW) 레이저를 전기광학 변조(EOM)를 이용해 자기참조화하여 주파수 조합을 생성함으로써, <5×10⁻¹⁴의 분수 정확도와 안정도로 절대적 광주파수 측정을 가능하게 하는 방법을 제시한다. 연속파 레이저를 펄스 주기로 변조하여 펨토초 수준의 펄스 열로 변환하고, 비선형 섬유를 통해 스펙트럼을 넓히며, 노이즈를 억제하기 위해 필터링을 거친 후 f-2f 간섭측정을 적용함으로써, 레이저의 주파수를 EOM 반복 주파수의 정수배로 연결하는 캐리어-환경 위상 오프셋 주파수를 정밀하게 측정할 수 있다.

ABSTRACT

We phase-coherently measure the frequency of continuous-wave (CW) laser light by use of optical-phase modulation and f-2f nonlinear interferometry. Periodic electro-optic modulation (EOM) transforms the CW laser into a continuous train of picosecond optical pulses. Subsequent nonlinear-fiber broadening of this EOM frequency comb produces a supercontinuum with 160 THz of bandwidth. A critical intermediate step is optical filtering of the EOM comb to reduce electronic-noise-induced decoherence of the supercontinuum. Applying f-2f self-referencing with the supercontinuum yields the carrier-envelope offset frequency of the EOM comb, which is precisely the difference of the CW laser frequency and an exact integer multiple of the EOM pulse repetition rate. Here we demonstrate absolute optical frequency metrology and synthesis applications of the self-referenced CW laser with &lt;5E-14 fractional accuracy and stability.

연구 동기 및 목표

• 자기참조 기법을 사용하여 연속파 레이저의 절대적 광주파수 측정을 가능하게 하기.
• 사전에 주파수 조합이 존재하지 않는 연속파 레이저에서 캐리어-환경 위상 오프셋 주파수를 측정하는 데 도전하는 문제를 해결하기.
• 소형이고 모든 전기광학 구성 요소를 사용하는 접근 방식을 통해 고정밀 주파수 메트로로지 및 합성을 실현하기.
• 중간 단계 광학 필터링을 통해 슈퍼컨티누엄 생성 시 전자적 노이즈에 의한 분해상태를 감소시키기.
• 광학 시계 및 정밀 분광학 응용 분야에 적합한 10⁻¹⁴ 이하의 분수 주파수 안정도를 구현하기.

제안 방법

• 연속파 레이저에 전기광학 변조(EOM)를 적용하여 펨토초 수준의 펄스 열을 주기적으로 생성한다.
• EOM로 변조된 펄스 열을 비선형 섬유를 통해 스펙트럼을 넓혀 160 THz에 이르는 슈퍼컨티누엄을 생성한다.
• 전자노이즈에 의해 유도되는 슈퍼컨티누엄의 분해상태를 억제하기 위해 광학 필터를 사용하여 위상 일관성을 향상시킨다.
• 필터링된 슈퍼컨티누엄에 대해 f-2f 자기참조 간섭측정을 적용하여 캐리어-환경 위상 오프셋 주파수를 측정한다.
• 캐리어-환경 위상 오프셋 주파수는 연속파 레이저 주파수와 EOM 반복 주파수의 정수배 간의 차이로 확인된다.
• 시스템은 높은 안정도로 위상일관성 있는 주파수 측정 및 광주파수 합성을 가능하게 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존 주파수 조합이 필요 없이 연속파 레이저를 자기참조화할 수 있는가?
• RQ2 전기광학 변조를 어떻게 활용하여 연속파 레이저에서 위상일관성 있는 주파수 조합을 생성할 수 있는가?
• RQ3 중간 단계 광학 필터링은 슈퍼컨티누엄 생성 시 전자적 노이즈에 의한 분해상태를 줄이는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ4 EOM로 변조된 연속파 빛에서 유도된 슈퍼컨티누엄에 대해 f-2f 자기참조 간섭측정을 효과적으로 적용할 수 있는가?
• RQ5 이 방법을 사용할 경우 자기참조 연속파 레이저 시스템에서 달성 가능한 주파수 정확도와 안정도 수준은 어느 정도인가?

주요 결과

• 시스템은 분수 정확도가 5×10⁻¹⁴ 미만인 절대적 광주파수 측정을 달성한다.
• 캐리어-환경 위상 오프셋 주파수는 연속파 레이저 주파수와 EOM 반복 주파수의 정수배 간의 차이로 정밀하게 측정된다.
• EOM 주파수 조합의 광학 필터링이 슈퍼컨티누엄에서 전자노이즈에 의한 분해상태를 크게 감소시킨다.
• 비선형 섬유를 통한 스펙트럼 확장으로 생성된 슈퍼컨티누엄은 160 THz의 대역폭을 가진다.
• 이 방법은 10⁻¹⁴ 이하의 분수 안정도로 안정적인 광주파수 합성을 가능하게 한다.
• 이 접근 방식은 전기광학 구성 요소와 비선형 섬유만을 사용하여 연속파 레이저의 자기참조화를 실현할 수 있는 실현 가능성을 보여준다.