Femtosecond mode-locked lasers have attracted great attention for many high-precision time/frequency applications, such as optical frequency standard, low-noise microwave signal synthesis, photonic analog-to-digital conversion, and large-scale timing distribution.
Repetition rate stabilization of mode-locked lasers is a core technology for various time/frequency applications. For high performance short-term (below ~10 s time scale) stability, repetition rate should be locked to high quality factor (Q) RF/microwave references or optical references. For the ultimate performance, continuous-wave lasers which are stabilized to optical references, such as high-Q $(~10^{11})$ ultra-stable cavities (Fabry-Perot cavity) or microresonators, are required. However, ultrahigh-Q optical resonator-based methods are fragile, alignment-sensitive, complex, and high-cost.
In this thesis, I show an all-fiber-based repetition rate stabilization method using 2.5 km fiber delay line $(Q ~10^{10})$ that enables all-fiber photonic generation of optical pulse trains with 0.98 fs (20 fs) absolute r.m.s. timing jitter accumulated over 0.01 s (1 s). This simple approach is based on standard off-the-shelf fiber components and can therefore be readily used in various comb applications that require ultra-stable microwave frequency and attosecond optical timing. In addition, I use this fiber delay line technique as a reference-source-free timing jitter measurement method of mode-locked laser oscillators and supercontinuum with ultra-high resolution.
I also demonstrate various microwave photonic applications using mode-locked lasers such as ultra-low phase noise microwave generation from mode-locked Er-fiber lasers and implementation of mode-locked laser-based remote (km-scale) optical/RF synchronization testbed for X-ray free-electron laser (XFEL) at Pohang Accelerator Laboratory. In detail, I have developed ultrahigh-resolution phase detector (FLOM-PD) between microwave and optical pulse trains. Residual phase noise floor between 77.5 MHz optical pulse train and 10 GHz microwave signal, which is synchronized by a phase-locked loop using the FLOM-PD, is -158 dBc/Hz, and the integrated r.m.s. residual timing jitter is 0.67 fs in 1 Hz - 10 MHz range. The 10 GHz microwave oscillator which is stabilized to a simple free-running mode-locked Er-fiber laser results in -142 dBc/Hz (-157 dBc/Hz) absolute phase noise at 10 kHz (100 kHz) offset frequency and 0.49 fs [10 kHz - 10 MHz] integrated r.m.s. absolute timing jitter.
펨토초 모드 잠금된 레이저는 고정밀 분광학, 광 주파수 표준, 저잡음 마이크로파 신호의 생성, 광 아날로그 디지털 컨버터, 정밀 타이밍 네트워크 등 다양한 고정밀 시간/주파수 응용에서 광범위하게 이용되며, 기존의 방법으로는 달성 할 수 없었던 시스템 성능을 가능하게 해오고 있다.
모드 잠금된 레이저의 반복률 안정화는 다양한 시간/주파수 응용들을 위한 핵심 기술이다. 고성능 단기간(~10초 이하) 주파수 안정도를 위하여, 레이저의 반복률은 높은 Q 인자를 갖고 있는 RF/마이크로파 레퍼런스나 광학 레퍼런스 장치에 안정화되어야한다. 특별히 높은 Q 인자(~10^11)를 가진 초안정 공진기(페브리-페로 케비티), 마이크로 공진기와 같은 광학 레퍼런스 장치에 안정화된 연속파 레이저를 이용하면 최고 수준의 단기간 반복률 주파수 안정화가 가능하다. 하지만, 매우 높은 Q 인자를 가진 광학 공진기를 이용한 레이저 반복률 안정화 시스템은 정교한 광학 정렬에 민감하며, 복잡하고 비용이 많이 든다.
본 연구에서는 2.5 km 광섬유 지연 라인(Q ~10^10)을 이용한 새로운 전광섬유 기반 레이저 반복률 안정화 방법을 개발하였다. 본 방법을 이용하여 어븀 광섬유 레이저의 반복률을 안정화한 결과, 0.01초 동안 누적된 광 펄스열의 r.m.s. 절대 타이밍 지터는 0.98 펨토초를 가지며, 1초 까지 누적되어도 20 펨토초의 우수한 값을 가진다. 본 방법은 표준 광섬유 부품들을 이용하고 전광섬유 구조이므로, 매우 안정한 마이크로파 주파수나 아토초 광 펄스 타이밍 등이 필요한 다양한 광 주파수 빗 관련 응용들에 쉽게 사용될 수 있다. 또한 광섬유 지연 라인 기술을 이용하여, 모드 잠금된 레이저 오실레이터와 수퍼컨티늄의 타이밍 지터를 별도의 레퍼런스 신호원 없이 매우 높은 분해능으로 측정하는 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 모드 잠금된 레이저를 이용한 다양한 마이크로파 광학 응용기술들을 보여준다. 예를 들어 모드 잠금된 어븀 광섬유 레이저를 이용한 초저위상잡음을 가진 마이크로파 신호의 생성, 포항가속기연구소의 X선 자유전자 레이저를 위한 모드 잠금된 레이저 기반 원거리(~km) 광/RF 타이밍 동기화 테스트 시스템 구축 등의 연구를 수행하였다. 더욱 구체적으로, 마이크로파 신호와 광 펄스열 사이의 타이밍을 매우 높은 분해능으로 직접 검출하는 위상 검출기(FLOM-PD)를 개발하였다. FLOM-PD를 이용한 위상 동기 루프에 의하여 동기화된 10 GHz 마이크로파 신호와 77.5 MHz 광 펄스열 사이의 잔류 위상 잡음 플로어는 10 GHz 반송자 주파수에서 -158 dBc/Hz의 매우 낮은 값을 가지며, 1 Hz부터 10 MHz까지 적분된 r.m.s. 잔류 타이밍 지터는 0.67 펨토초를 갖는다. 간단한 자유 발진 모드 잠금된 어븀 광섬유 레이저에 안정화된 10 GHz 마이크로파 발진기의 절대 위상 잡음은 10 kHz 오프셋 주파수에서 -142 dBc/Hz 이며, 100 kHz 오프셋 주파수에서는 -157 dBc/Hz 이다. 10 kHz부터 10 MHz까지 적분된 r.m.s. 절대 타이밍 지터는 0.49 펨토초 이다.
