절대거리 측정을 위한 펨토초 레이저 광 빗 기반의 광주파수 발생기

Abstract

안정화된 펨토초 레이저는 $10^5 ~ 10^6$ 개의 수많은 모드들로 구성되며, 각각의 모드는 매우 좁은 선폭과 높은 안정도 및 정확도를 가지는 레이저와 같다. 본 연구에서는 라디오 주파수 영역에서 범용적으로 사용되는 함수 발생기와 같이 광주파수 대역에서 원하는 임의의 광주파수를 생성해 낼 수 있는 실질적인 형태의 광주파수 발생기를 개발한다. 본 연구에서는 크게 광학 위상잠금회로(optical phase locked loop)와 광학 모드추출 및 증폭을 기반으로 하는 두 가지 종류의 광주파수 발생기를 개발하였다. 첫 번째 방법에서는 시간/주파수 표준인 루비듐(Rb) 시계에 안정화 되어있는 광 빗에 ECLD(외부 공진기 다이오드 레이저)를 위상 잠금 하였다. 이를 통해 16 nm의 파장 가변영역 내에서 12 mW의 출력광량과 $5.9 \times 10^{-12}$ 의 주파수 안정도를 가지는 광주파수 발생기를 개발하였다. 두 번째 방법에서는 광 빗의 원하는 모드를 추출한 후 원하는 모드의 광량만을 증폭하여 광주파수 발생기를 구성하였다. 먼저, 광 빗의 원하는 하나의 모드만을 회절격자, 광섬유 및 가변 패브리페롯 필터로 구성되는 복합 광학 추출부를 이용하여 추출해 내었다. 이 때 모드 당 광량은 10 nW 수준으로 이를 실질적인 광원으로 사용하기 위해 주입잠금을 기반으로 배경잡음 없이 50~60 dB 수준의 큰 광증폭을 수행하였다. 이러한 모드추출 기반의 광주파수 발생기는 10 nm의 파장가변 영역에서 실험적으로 1 Hz 이하의 선폭 특성 저하와 $3 \times 10^{15}$ 10 s이하 수준의 매우 작은 수준의 절대위치 및 안정도 저하만을 가짐을 확인하였다. 광대역 광주파수 발생기는 절대거리 측정을 위한 다파장 간섭계와 파장천이 간섭계 및 이들의 복합 간섭계에서 핵심적인 광원으로써 그 개발이 요구되어 왔다. 개발된 광주파수 발생기는 실질적인 길이표준의 확립, 시간/주파수 표준에 소급가능하며 우수한 불확도 특성을 가지는 초정밀 위치결정 등의 다양한 분야에서 중요한 광원으로 자리잡을 것으로 기대된다.