Recently, microresonator-based frequency combs composed of equidistant frequency lines have been developed in the form of soliton pulses at very low pump power and received much attention. Research to utilize the solitons as a signal source for high-speed communications and metrology, such as distance measurement and microwave generation, has been actively conducted. However, an accurate timing jitter of the soliton with a repetition rate of tens of GHz has been limited by the measurement system. Furthermore, the stabilization of the repetition rate has depended on the ultra-stable laser or oscillator, which are generally bulky, expansive, and complex, and it has been still difficult to secure a high locking bandwidth. In this thesis, noise characterization and repetition-rate stabilization for the soliton in an ultra-high-Q (Q>108) silica wedge disk resonator were addressed. The silica resonator was fabricated by using semiconductor processes, and soliton mode locking was performed with the power kicking method and active capture technique. By using the fiber delay-line-based self-heterodyne method with a resolution of ~100 attoseconds, the true timing jitter of the optical soliton at the femtosecond level was characterized. Furthermore, a repetition-rate stabilization method based on a compact fiber delay line with a high locking bandwidth of ~100 kHz was introduced. As a result, the frequency instability of the repetition rate at the level of
$10^{-11}$ before stabilization was stabilized at the level of $10^{-13}$. In addition, a self-locked soliton without external feedback from mode crossing was introduced.
최근 마이크로광공진기를 기반으로 매우 작은 펌프 파워에서 등주파수 간격의 주파수빗을 솔리톤 펄스의 형태로 발생시키는 기술이 개발되어 주목받고 있다. 이러한 광솔리톤을 광원으로 거리 측정, 마이크로파 발생 등 정밀 계측 및 초고속 통신 분야에서 연구가 활발히 이루어지고 있다. 하지만 수십 GHz의 높은 반복률을 지닌 광솔리톤의 타이밍 지터는 기존 측정 시스템의 한계로 인해 명확한 성능 규명이 어려웠다. 더욱이 반복률의 안정화는 거대하고 복잡한 안정화 시스템에 의존해왔으며 넓은 잠금 대역폭 확보가 어려웠다. 본 논문에서는 초고품위 산화규소 디스크 광공진기에서 발생한 광솔리톤의 잡음 특성과 반복률 안정화에 대해 논하였다. 반도체 공정을 통해 광공진기를 제작하였으며 파워 킥킹 기법 및 활성 캡쳐 기술을 이용하여 광솔리톤의 모드 잠금을 수행하였다. 또한 100 아토초의 분해능을 지닌 광섬유 지연라인 기반의 자기 헤테로다인 방법을 통해 펨토초 수준의 타이밍 지터를 규명하였다. 나아가 100 kHz 수준의 잠금 대역폭을 지닌 소형 지연라인 기반의 반복률 안정화 시스템을 구현하였다. 그 결과, $5×10^{-11}$ 수준의 주파수 불안정도는 $5×10^{-13}$ 수준으로 안정화되었다. 이외에도 모드 교차로 외부 피드백 없이 모드 잠금이 되는 광솔리톤을 소개하였다.
