[논문 리뷰] Synchronous mode-locked laser network with 20$^{th}$ decimal timing precision

Kemal Şafak, Ming Xin외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 10. 26.

Atomic and Subatomic Physics Research인용 수 2

한 줄 요약

이 논문은 4.7km의 섬유 링크를 통해 40시간 동안 1Hz 이하에서 0.6fs RMS 타이밍 드리프트를 달성하는 동기식 모드 잠금 레이저 네트워크를 제시하며, 20번째 소수점 수준의 타이밍 정밀도를 입증한다. 시스템은 서로 다른 파장과 반복 주파수를 가진 두 대의 원격 슬레이브 레이저를 안정화하기 위해 종합적인 피드백 루프를 사용하며, 1Hz에서 1MHz까지의 범위에서 측정된 루프 외 타이밍 잡음은 단지 1.3fs RMS에 불과하여 섬유 링크에서 펄스 타이밍 잡음의 표준 양자 한계를 드러낸다.

ABSTRACT

Filming chemical reactions or atoms in motion is one of the greatest scientific dreams yet to be accomplished which requires sub-atomic spatiotemporal resolution. Newly emerging X-ray free electron lasers and laser-based attoscience centers are the most likely candidates to succeed first thanks to their angstrom-level radiation. To provide the necessary temporal resolution, these facilities must be able to synchronize numerous mode-locked lasers with ultra-high precision across kilometer-distances. Here, we report a synchronous mode-locked laser network incorporating two remote slave lasers at different central wavelengths and repetition rates over 4.7-km distance. The network exhibits a record-low timing drift of 0.6 fs RMS below 1 Hz over 40 h reaching the 20$^{th}$ decimal uncertainty in ~8000-s averaging time. Short-term stability measurements show an out-of-loop timing jitter of only 1.3 fs RMS integrated from 1 Hz to 1 MHz. We also present a comprehensive noise analysis of the network considering both quantum noise and technical noise sources. For the first time in literature, we reveal the standard quantum limit for the timing jitter acquired by optical pulses when traveling in fiber links. Our comprehensive feedback loop analysis reveals nine technical noise sources out of which the slave lasers inherent jitter dominates with 1.26 fs RMS. This suggests that timing precision of the network is not limited by our synchronization scheme and could be improved even further by developing lower noise mode-locked lasers.

연구 동기 및 목표

• 초원자 스케일의 시공간 해상도로 초고속 화학 및 원자 과정을 촬영하기 위해 레이저 동기화에서 극한의 타이밍 정밀도를 달성하기 위해.
• 킬로미터 규모의 거리에서 다수의 원격 모드 잠금 레이저를 서브-펨토초 안정성으로 동기화하는 데 도전하기 위해.
• 섬유 기반 레이저 네트워크에서 타이밍 정밀도를 제한하는 주요 노이즈 원인을 규명하고 정량화하기 위해.
• 광학 펄스가 섬유 링크를 통과할 때 타이밍 잡음의 표준 양자 한계를 실험적으로 드러내기 위해.
• 현재의 동기화 기법이 제한 요소가 아니며, 오히려 슬레이브 레이저의 내재된 잡음이 한계를 결정한다는 것을 입증하기 위해.

제안 방법

• 다른 중심 파장과 반복 주파수를 가진 두 대의 원격 슬레이브 레이저를 운영하는 마스터-슬레이브 레이저 네트워크의 구현.
• 4.7km의 섬유 링크를 통해 타이밍을 안정화하기 위해 종합적인 피드백 루프를 사용하여 드리프트와 잡음을 최소화.
• 시스템 내에서 양자 노이즈와 기술적 노이즈 원천을 분리하기 위해 세밀한 노이즈 분석 프레임워크의 활용.
• 아홉 가지의 별도된 기술적 노이즈 기여도를 모델링하고 정량화하기 위해 풀루프 전이 함수 분석의 적용.
• 동기화된 펄스 간의 교차 상관 기법을 사용하여 루프 외 타이밍 잡음 측정.
• 이론적 및 실험적 데이터를 바탕으로 섬유 링크에서의 타이밍 잡음 표준 양자 한계 유도.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동기화된 레이저 네트워크에서 섬유 링크를 통과하는 광학 펄스의 타이밍 잡음에 대한 기본 한계는 무엇인가?
• RQ2 장거리 다중 레이저 동기화 시스템에서 타이밍 불안정성을 주도하는 노이즈 원천은 무엇인가?
• RQ3 피드백 기반 동기화 기법이 킬로미터 거리에서 서브-펨토초 안정성을 달성할 수 있는가?
• RQ4 타이밍 정밀도는 평균화 시간에 따라 어떻게 변화하며, 도달 가능한 불확도 수준은 무엇인가?
• RQ5 네트워크 성능이 동기화 기법에 의해 제한되는 정도는 어느 정도이며, 슬레이브 레이저의 내재적 특성에 의해 제한되는가?

주요 결과

• 네트워크는 40시간 동안 1Hz 이하에서 0.6fs RMS 드리프트를 기록하여 약 8000초의 평균화 시간 동안 20번째 소수점 수준의 불확도를 달성한다.
• 1Hz에서 1MHz까지 통합된 루프 외 타이밍 잡음은 단지 1.3fs RMS로 측정되어 극도로 높은 단기 안정성을 보여준다.
• 종합적인 노이즈 분석을 통해 아홉 가지 기술적 노이즈 원천을 규명하였으며, 그 중 슬레이브 레이저의 내재된 잡음이 1.26fs RMS로 주요 기여 요소로 나타났다.
• 본 연구는 섬유 기반 광학 펄스 전송에서 타이밍 잡음의 표준 양자 한계를 문헌상 최초로 규명하였다.
• 결과는 현재의 동기화 기법이 제한 요소가 아니며, 향후 모드 잠금 레이저의 내재된 잡음을 줄임으로써 성능 향상이 가능하다는 것을 시사한다.
• 기존 피드백 아키텍처를 사용할 경우 저노이즈 레이저를 사용하면 킬로미터 거리에서 서브-펨토초 수준의 동기화가 가능하다는 것을 시스템이 입증하였다.