Optical clocks have been developed competitively worldwide, leading to innovations in various fields such as tests and measurements in fundamental physics, and geodesy. One of the revolutionary advances in optical clock technologies has resulted from the introduction of frequency-stabilized optical combs. Conventionally, optical frequency combs have been stabilized by phase locking both the frequency spacing and the carrier-envelope offset frequency to a microwave frequency standard such as a caesium (Cs) atomic clock. However, this technique has several limitations in that the frequency stability of the stabilized comb is restricted by the microwave reference and the phase noise of the microwave frequency standard is cumulatively multiplied to the optical frequency domain in the process of optical frequency synthesis. Recently, much attention has been drawn on stabilizing the optical frequency comb to optical references, such as high finesse cavities or atomic transitions, to meet the growing demands for increased stability and lower phase noise. In this thesis, we demonstrate a femtosecond laser frequency comb directly phase-locked to a high finesse cavity based on injection-locking techniques. The cavity-stabilized comb can provide a phase coherent link which transfer the excellent frequency performances of the optical reference to other optical frequencies or microwave frequencies. Furthermore, this comb can serve as a versatile source with an enormous number of narrow linewidth lasers and consequently provide great improvement to precision spectroscopies, ultralow noise microwave generations, optical atomic clock technologies and coherent communications.
전세계에서 경쟁적으로 광시계를 구현하는 연구가 진행되어 왔으며, 광시계를 통해 향상된 주파수 표준은 기초 물리학의 시험 및 측정, 측지학과 같은 다양한 분야에서 혁신을 이끌고 있다. 특히 이러한 광시계 기술에 주파수 안정화된 광 주파수 빗의 개념을 도입함으로써 획기적인 기술적 진보가 이루어질 수 있었다. 종래 광 빗은 세슘 시계와 같은 마이크로파 주파수 표준에 반복률과 옵셋 주파수를 잠금하는 방식으로 안정화되었다. 하지만 이러한 방식은 안정화된 광 빗의 주파수 안정도가 마이크로파 표준의 안정도에 의해 제한되며, 광 주파수 생성 과정에서 마이크로파 주파수 표준의 위상 잡음이 광 주파수 영역에 증폭되어 전달된다는 한계점들이 존재하였다. 이에 따라 향상된 주파수 안정도와 더 낮은 위상 잡음에 대한 증가하는 요구를 충족시키기 위하여, 최근에는 광 빗을 고예리도 공진기 또는 원자 전이선과 같은 광 주파수 기준에 안정화하는 방법에 많은 관심이 집중되고 있다. 이에 본 논문에서는, 주입잠금 기술을 기반으로 고예리도 공진기에 펨토초 레이저 광 빗을 직접적으로 안정화하는 기법을 제안하였다. 이렇게 고예리도 공진기에 안정화된 광 빗은 광 주파수 기준의 우수한 주파수 성능을 다른 광 주파수 혹은 마이크로파 주파수에 전달하는 위상 가간섭성 링크로서 사용될 수 있다. 뿐만 아니라, 안정화된 광 빗은 다양한 파장을 가진 수많은 미세 선폭 레이저의 역할을 하는 다목적 광원으로도 사용될 수 있으며, 정밀 분광, 저잡음 마이크로파 생성, 광시계 기술, 가간섭 통신 분야에서 큰 발전을 가져올 것으로 기대된다.
