Optical frequency combs stabilized to optical references have been widely used for the metrology in laboratory environments; microwave generations, spectroscopy, distance measurement, relativistic geodesy, and high-density free-space optical communication. Nowadays, frequency combs encounter rising demands on outdoor locations such as harsh environmental industry, air-borne missions, and even in ground-to-space missions. However, environmental disturbances including air turbulence, temperature fluctuation, humidity variation, and pressure change have precluded the realization of stable frequency comb on the open-field. Here, we introduce first demonstration that frequency comb are stabilized to a 1.3-km distant optical high-finesse cavity as an optical reference with a 3.80×10${-15}$ at 0.1 s frequency stability and a 1.4 Hz linewidth through a free-space atmospheric optical link. Two optical frequencies, generated from frequency comb stabilized on high-finesse cavity, are phase-coherently transferred to the remote site through phase noise suppression control. Two frequency combs with different repetition rates of 100 and 203.8 MHz were stabilized to a remote optical reference by phase-locking the beat notes with two transferred optical frequencies. Out-of-loop measurements confirmed that the inherent performances of the optical reference were transferred to distant frequency combs with a modal linewidth of 1.4 Hz and a frequency stability of 2.28×10${-15}$ at 0.1 s and 1.07×10${-15}$ at 1.6 s over a 4.2 THz spectral bandwidth. Furthermore, the remote comb was exemplarily utilized as the frequency reference for optical absorption spectroscopy over a broad bandwidth of 50 nm, and the direct source for ultra-stable microwave generation of 10 GHz even up to 0.1 THz. This free-space optical link could expedite the wider-spread application of frequency combs to harsh outdoor environments.
광시계 기술 개발의 고도화를 통해 향상된 광주 파수 표준은 기초 물리학의 실험, 극한의 표준 측정 및 측지학의 정밀도 개선 등에 활용되고 있다. 이러한 광시계 기술은 수 만개의 단색광주파수가 일정하게 분포하는 펨토초 레이저 광빗 기술이 도입되면서 광주파수 표준을 넓은 대역폭으로 확장할 수 있었다. 이는 고 예리도 공진기에 광주파수 기준에 광빗을 구성하는 하나의 주파수를 안정화시키는 방식 등으로 구현할 수 있지만 시스템이 매우 복잡하고 극한의 환경 제어가 필요하기 때문에 시스템이 구현된 한정된 장소에서만 활용이 가능하다. 이러한 제약을 뛰어넘어 광빗을 산업 현장, 항공 및 우주 분야 등 다양한 장소에서 활용할 수 있도록 본 연구에서는 대기 채널을 통해 광주파수를 전송하여 광주파수 표준을 분배하고 이를 이용하여 광빗의 안정화를 수행하였다. 안정화된 광빗은 넓은 대역폭과 우수한 선폭 특성을 가지게 되므로 이에 대한 성능 검증을 통해 다양한 응용분야에 적용할 수 있음을 제시하였다. 더 나아가 안정화된 광빗으로 저 잡음 마이크로파 주파수 생성과 정밀 분광을 수행하였다. 저 잡음 마이크로파 주파수 생성의 경우 1 Hz 오프셋 주파수에서 -80 dBc Hz$^{-1}$ 및 100 Hz 오프셋 주파수 이상에서는 -115 dBc Hz$^{-1}$ 수준의 위상 잡음 수준을 획득하였다. 분광의 경우 파장 주사 레이저를 통해 다중 가스의 흡수선을 100 nm s$^{-1}$ 의 빠른 속도로 측정과 동시에 광빗과 간섭을 통해 주사되는 파장의 정확한 위치를 측정하여 가스들의 흡수선을 정확하게 파악하였다. 이러한 원거리 광빗 안정화 기술을 통해 광빗을 통한 다양한 응용 분야에서 새로운 도약을 이뤄줄 수 있을 것으로 기대한다.
