Photodetection of optical frequency combs (optical pulse trains) is one of the most important functionalities for linking optical frequencies and microwave frequencies with high fidelity. In particular, low excess noise timing stability transfer from the optical domain to the electrical domain through fast photodetection is necessary for many applications including low-noise microwave generation via optical frequency division. Most of recent O-E conversion excess noise study and optimization have been focused on lower noise single-tone microwave signal generation at one of the harmonics of pulse repetition-rates. However, so far, there has been little study on the excess noise between the femtosecond optical pulses and the photodetected electrical pulses. In this work, using the Electro-Optic Sampling Timing Detector (EOS-TD), which can measure the relative timing between optical pulses and electrical signals with sub-femtosecond resolution, we have characterized the relative timing jitter between optical pulses and photodetected electrical pulses. We found that excess timing jitter at the rising edge of photocurrent pulses reaches attosecond-level. This finding may be useful for exploiting high-precision frequency comb applications in the electronic domain, for example, edge sensitive systems such as digital clocking and data converters.
모드 잠금 레이저의 광 검출 과정은 광 주파수 영역과 마이크로파 주파수 영역을 연결하는 데 있어 중요한 역할을 한다. 특히, 초안정 공진기에 안정화된 연속파 레이저의 광 영역에서의 안정도를 갖는 광 주파수 빗의 직접 광 검출을 통하여 마이크로파 영역으로 가져오면 매우 우수한 잡음 성능의 마이크로파를 생성할 수 있다. 따라서 광-전자 변환과정에서의 초과 잡음 한계를 낮추기 위해 많은 연구가 진행되었다. 그러나 단일 주파수에 해당하는 마이크로파가 아닌 직접 광 검출 펄스 자체의 초과 타이밍 지터에 관한 연구는 활발히 이루어지지 않았다. 본 논문에서는 광섬유 광-전자 샘플링 기반 타이밍 검출기를 이용하여 모드 잠금 레이저의 광 펄스열과 직접 광 검출된 전기 펄스열 사이의 상대 타이밍 지터를 펨토초 이하의 분해능으로 측정하였다. 전기 펄스열의 상승 에지 초과 타이밍 지터의 경우 아토초 수준의 낮은 값을 보였다. 본 연구의 결과물은 에지 타이밍 지터에 따라 성능이 결정되는 디지털 클럭이나 아날로그-디지털 컨버터 등에 유용하게 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
