[논문 리뷰] Attosecond timing jitter optical pulse trains from femtosecond mode-locked Yb-fiber lasers

Youjian Song, Chur Kim외 3명|arXiv (Cornell University)|2011. 06. 02.

Advanced Fiber Laser Technologies인용 수 1

한 줄 요약

이 논문은 80 MHz 모드-락킹 Yb-섬유 레이저에서 자유주행 모드에서 175 어토세컨드(rms)의 기록적인 낮은 타이밍 잡이 발생했음을 보여주며, 이는 20 어토세컨드 이하 해상도를 갖춘 균형형 광학 교차상관 측정 기술을 통해 이루어졌다. 초저잡이는 내부 분산이 거의 없는 조건에서 달성되었으며, 최적의 모드 락킹 조건에서 상대적 강도 노이즈도 동시에 억제되었다.

ABSTRACT

We demonstrate ultra-low timing jitter optical pulse trains from free- running, 80 MHz repetition rate, mode-locked Yb-fiber lasers. Timing jitter of various mode-locking conditions at close-to-zero intra-cavity dispersion (-0.004 to +0.002 ps2 range at 1040 nm center wavelength) is characterized using a sub-20-attosecond-resolution balanced optical cross-correlation method. The measured lowest rms timing jitter is 175 attoseconds when integrated from 10 kHz to 40 MHz (Nyquist frequency) offset frequency range, which corresponds to the record-low timing jitter from free-running mode-locked fiber lasers so far. We also experimentally found the mode-locking conditions of fiber lasers where both ultra-low timing jitter and relative intensity noise can be achieved.

연구 동기 및 목표

• 외부 안정화 없이 자유주행 모드 락킹 Yb-섬유 레이저에서 초저잡 타이밍 잡을 달성하고자 한다.
• 내부 분산이 거의 없는 조건에서 다양한 모드 락킹 조건 하에서 타이밍 잡을 특성화하고자 한다.
• 타이밍 잡과 상대적 강도 노이즈가 동시에 낮은 운영 영역을 식별하고자 한다.
• 섬유 기반 광 펄스 트레인의 타이밍 안정성 기준을 설정하고자 한다.
• 20 어토세컨드 이하 해상도를 갖춘 균형형 광학 교차상관 방법이 잡 측정에 얼마나 효과적인지 검증하고자 한다.

제안 방법

• 1040 nm에서 -0.004에서 +0.002 ps² 범위의 제어된 내부 분산를 갖춘 자유주행 80 MHz 반복 주기 모드 락킹 Yb-섬유 레이저를 사용하였다.
• 20 어토세컨드 이하 시간 해상도를 갖춘 균형형 광학 교차상관 기술을 사용하여 타이밍 잡을 측정하였다.
• 10 kHz에서 40 MHz 오프셋 주파수까지 잡의 파wer 스펙트럼 밀도를 통합하여 rms 타이밍 잡을 계산하였다.
• 모드 락킹 조건을 체계적으로 변화시켜 타이밍 잡과 상대적 강도 노이즈 간의 상충 관계를 탐색하였다.
• 여러 운영 지점에서 타이밍 잡을 측정하여 최적의 분산 및 증폭 조건을 식별하였다.
• 잡 성능과 강도 노이즈를 연관시켜 동시에 낮은 잡과 낮은 강도 변동이 발생하는 영역을 식별하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 내부 분산이 거의 없는 조건에서 자유주행 80 MHz 모드 락킹 Yb-섬유 레이저에서 도달 가능한 최소 타이밍 잡은 얼마인가?
• RQ2 동일한 레이저 시스템에서 다양한 모드 락킹 조건에서 타이밍 잡은 어떻게 변하는가?
• RQ3 자유주행 섬유 레이저에서 초저잡 타이밍 잡과 함께 낮은 상대적 강도 노이즈를 동시에 달성할 수 있는가?
• RQ4 내부 분산은 Yb-섬유 레이저에서 타이밍 잡을 최소화하는 데 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 20 어토세컨드 이하 해상도를 갖춘 교차상관 방법은 광 펄스 트레인의 초저잡을 얼마나 정밀하게 해상할 수 있는가?

주요 결과

• 10 kHz에서 40 MHz 오프셋 주파수까지 통합한 측정 결과, 타이밍 잡이 기록적인 175 어토세컨드(rms)에 도달하였다.
• 최저 잡은 내부 분산가 거의 없는 조건에서 달성되었으며, 특히 1040 nm에서 -0.004에서 +0.002 ps² 범위에서였다.
• 타이밍 잡과 상대적 강도 노이즈가 동시에 최소화되는 안정된 모드 락킹 영역이 식별되었다.
• 20 어토세컨드 이하 해상도를 갖춘 균형형 광학 교차상관 방법은 어토세컨드 수준에서 잡을 정밀하게 특성화하는 데 기여하였다.
• 결과적으로 자유주행 Yb-섬유 레이저가 이전에는 활성 안정화 시스템에서만 달성 가능했던 타이밍 잡 성능을 확보할 수 있음을 보여주었다.
• 연구는 분산 관리가 모드 락킹 섬유 레이저에서 초저잡 타이밍 잡을 달성하는 데 핵심적이라는 것을 확인하였다.