Precise timing synchronization on the femtosecond level is a crucial asset for time-resolved experiments in free-electron lasers (FELs). The required precision can be only achieved by a laser-based synchronization system. This thesis reports the design and progress towards the implementation of a femtosecond-precision fiber timing distribution system for the Pohang Accelerator Laboratory X-ray Free Electron Laser (PAL-XFEL). Long-term stable, femtosecond level timing distribution over a 1.15 km single-mode (SM) fiber optic link using balanced optical cross-correlator-based stabilization is demonstrated. Link operation for 79 hours and 10 hours showed 13.7 fs and 6.7 fs RMS timing drift, respectively.
제 4세대 포항 가속기는 펨토초 수준의 시간 분해능과 원자 크기의 공간 분해능을 갖는 고 에너지 X 선 펄스를 발생시킬 수 있어서 꿈의 광원으로 불리고 있다. 이러한 고 에너지 X 선 펄스를 사용하여 이전에는 불가능하였던 정밀한 시 분해 실험을 하는 것이 가능해졌다. 그러나 이와 같이 정밀한 수준의 시 분해 실험을 하기 위해서는 가속기를 구동하는 데 사용되는 RF 신호원들과 실험을 위해 가속기 내부 곳곳에 배치된 레이저들 사이를 펨토초 수준으로 동기화 하는 것이 반드시 필요하다.
펨토초 수준으로 타이밍을 안정화 하는 방법 및 원리는 이미 연구가 되어 2008 년 Nature Photonics 에 그 결과가 정리되어 있다. 또한 실험실 환경에서의 타이밍 안정화의 결과는 점차 개선되어 매우 낮은 수준에 도달하였다. 그러나 이를 실제 가속기 환경에 적응해 보면 비슷한 안정화 수준을 얻는 데 어려움이 있음을 알 수 있다. 본 연구에서는 기존에 이미 연구되어 있는 타이밍 안정화의 원리 및 실험실 환경에서 검증된 안정화 방법들을 바탕으로 실제 포항 가속기 환경에 타이밍 시스템을 설치하고 각각의 부분들을 최적화 함으로서 가속기 환경에서의 타이밍 안정화 성능을 개선하는 작업을 수행하였으며 79 시간 동안 13.7 fs rms 드리프트를 보이는 타이밍 안정화 성능을 얻었다.
