The stabilized frequency comb of a mode-locked femtosecond laser constitutes a precision ruler consisting of about a million optical modes with very narrow linewidths and precise absolute frequency positions. Here we demonstrate a practical form of optical frequency generator, capable of providing any optical signal on demand in the same way as its counterpart in the radio frequency range operates.
Two kinds of optical frequency generators were constituted based on optical phase locked loop and one mode amplification. In the first scheme, we phase-locked the ECLD(External Cavity Laser Diode) to the frequency comb which is stabilized to the Rb atomic clock of a frequency standard. The frequency instability was measured to be $5.9 \tiems 10^{-12}$ in the tunable range of 16 nm with 12 mW output power. And in second scheme, selected one mode was extracted out of frequency comb and amplified by diode laser injection locking. More specifically, only one mode is extracted at a time out of the broadband frequency comb through a composite filtering scheme consisting of an optical fiber, a diffraction grating, and a scanning Fabry-Perot interferometer. The selected mode having a very low power of ~10 nW is amplified by 50 to 60 dB to the mW level by means of injection locking to a laser diode, permitting pure power enhancement with extremely low background noise. Experimental verifications reveal that the original linewidth undergoes a negligible degradation of less than 1 hertz, and the absolute frequency position is also subject to a small disturbance of less than 3 parts in $10^{15}$ over 10 s averaging.
The optical frequency generator over an extensive range is greatly needed to measure the absolute distance by means of multi-wavelength and wavelength sweeping optical interferometry. This light source could find applications in establishing practical length standards and ultra-precision positioning with a small amount of uncertainty directly traceable to standard clocks of time.
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.
