KR101832553B1 - Method and apparatus for characterizing timing jitter of femtosecond laser with dynamic range over several hundred decibels - Google Patents

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Abstract

펨토초 레이저에서 발생된 광 펄스열의 타이밍 지터 특성을 매우 넓은 범위의 푸리에 주파수에 걸쳐서 측정해내는 방법 및 장치가 개시된다. 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 장치는, 제1 광 펄스열을 생성하는 제1 레이저, 제2 광 펄스열을 생성하는 제2 레이저, 상기 제1 광 펄스열 및 상기 제2 광 펄스열 사이의 타이밍 오차에 기초하여 제1 출력 신호를 생성하는 균형 광 상호상관기, 상기 제1 출력 신호를 통과시켜 제2 출력 신호를 생성하는 루프 필터, 및 상기 제1 출력 신호에 기초하여 잠금 대역폭 주파수보다 높은 푸리에 주파수에서의 제1 타이밍 잡음을 측정하고, 상기 제2 출력 신호에 기초하여 상기 잠금 대역폭 주파수보다 낮은 푸리에 주파수에서의 제2 타이밍 잡음을 측정하는 측정부를 포함할 수 있다.A method and apparatus for measuring timing jitter characteristics of an optical pulse train generated in a femtosecond laser over a very wide range of Fourier frequencies. A timing noise measurement apparatus of a femtosecond laser, comprising: a first laser for generating a first optical pulse train; a second laser for generating a second optical pulse train; a second optical pulse train for generating a second optical pulse train based on a timing error between the first optical pulse train and the second optical pulse train A first loop filter for generating a second output signal by passing said first output signal and a second timing signal at a first timing at a Fourier frequency higher than the lock bandwidth frequency based on said first output signal, And a measurement unit for measuring noise and measuring second timing noise at a Fourier frequency lower than the lock bandwidth frequency based on the second output signal.

Description

수백 데시벨의 다이내믹 레인지를 갖는 펨토초 레이저의 타이밍 지터 측정 방법 및 장치{Method and apparatus for characterizing timing jitter of femtosecond laser with dynamic range over several hundred decibels}BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a timing jitter measuring method and apparatus for measuring jitter of a femtosecond laser having a dynamic range of several hundreds of decibels,

본 발명은 펨토초 레이저에서 발생된 광 펄스열의 타이밍 지터 특성을 매우 넓은 범위의 푸리에 주파수에 걸쳐서 측정해내는 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 수백 데시벨의 높은 다이내믹 레인지를 갖는 측정 방법 및 장치를 제안한다.The present invention relates to a method and apparatus for measuring timing jitter characteristics of an optical pulse train generated in a femtosecond laser over a very wide range of Fourier frequencies. The present invention proposes a measurement method and apparatus having a high dynamic range of several hundreds of decibels.

펨토초 모드 잠금된 레이저는 일정한 시간 간격의 피크 출력을 가지는 펨토초 내지 피코초 단위의 매우 짧은 펄스를 발생시킨다. 펨토초 모드 잠금된 레이저에서 발생된 광 펄스열은 이론적 구조상 타이밍 잡음이 전자 신호원에 비해서 매우 낮다고 알려져 있으며, 이러한 타이밍 잡음을 정확히 측정하고 이를 더욱 낮추려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 펨토초 레이저의 매우 낮은 타이밍 잡음 특성을 이용하여, 초고속 고분해능 아날로그 디지털 컨버터, 정밀 타이밍 네트워크, 입자 가속기 대규모 위상 배열 안테나의 정밀한 동기화, 초저 위상 잡음 마이크로파 신호의 생성 등 순수 전자 기반 기술로는 달성하기 어려웠던 범위에 응용이 가능할 것으로 기대된다. 다만, 펨토초 레이저에서 발생하는 광 펄스열의 타이밍 잡음 성질의 측정 방법이 간단하지 않아, 초저 잡음 펨토초 레이저의 연구 및 개발에 어려움이 있다.Femtosecond mode locked lasers generate very short pulses in femtoseconds to picoseconds with peak output at regular time intervals. It is known that the optical pulse train generated in the femtosecond mode locked laser has a timing noise which is very low in comparison with the electronic signal source in the theoretical structure. Researches have been actively conducted to accurately measure the timing noise and to further lower the timing noise. Utilizing the very low timing noise characteristics of femtosecond lasers, it has been difficult to achieve with pure electronic-based technologies such as ultra-high-speed, high-resolution analog-to-digital converters, precision timing networks, precise synchronization of particle accelerator large phased array antennas, It is expected to be possible to apply to. However, since the method of measuring the timing noise property of the optical pulse train generated in the femtosecond laser is not simple, it is difficult to research and develop ultra low noise femtosecond laser.

가장 널리 이용되는 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 방법은 직접 광 탐지법(direct photodetection)이다. 직접 광 탐지법에서는 광 다이오드와 대역 통과 필터를 이용하여 레이저 반복률의 조화파를 얻어낸 후 이를 별도의 안정한 신호원과 주파수 혼합기를 사용해서 마이크로파 영역에서 비교한다. 이 방법은 비교적 간단하다는 장점이 있어 널리 이용되고 있으나, 광 다이오드에서의 산탄 잡음(shot noise) 또는 열 잡음(thermal noise)으로 인하여 측정 분해능이 -140 ~ -150 dBc/Hz에 불과하다는 단점이 있다. 따라서, 직접 광 탐지법에서는 수 kHz 보다 높은 푸리에 주파수 영역에서의 레이저의 타이밍 잡음을 측정할 수 없었다. 또한, 광 영역에서 마이크로파 영역으로 변환하는 과정에서 추가 잡음의 영향을 받을 가능성이 있다.The most widely used femtosecond laser timing noise measurement method is direct photodetection. In the direct optical detection method, a harmonic of the laser repetition rate is obtained by using a photodiode and a band pass filter, and then compared with a stable signal source and a frequency mixer in a microwave domain. This method is widely used because of its relatively simple merit, but it has a disadvantage in that the measurement resolution is only -140 to -150 dBc / Hz due to shot noise or thermal noise in the photodiode . Therefore, in the direct optical detection method, the timing noise of the laser in the Fourier frequency region higher than several kHz could not be measured. In addition, there is a possibility of being affected by additional noise in the process of converting from the optical domain to the microwave domain.

직접 광 탐지법의 제한적인 분해능 문제를 해결하기 위하여 광 영역에서 비선형 결정을 이용하여 펄스 대 펄스의 겹치는 정도(즉, 타이밍 잡음)를 직접 측정하는 균형 광 상호상관기(balanced optical cross-correlator, BOC)가 개발되었다. 균형 광 상호상관기를 이용한 측정을 통해 수 kHz 이상의 높은 푸리에 주파수 영역에서의 자유 발진 모드 잠금된 레이저의 펨토초 수준의 타이밍 잡음을 성공적으로 측정할 수 있게 되었다. 그러나, 균형 광 상호상관기를 이용한 측정을 위해서는 독립적인 두 레이저 간의 반복률을 서로 일치 시키기 위한 위상 동기 루프가 필요하며, 통상적으로 수 kHz의 값을 가지는 위상 동기 루프의 잠금 대역폭 주파수보다 낮은 푸리에 주파수 영역에서의 잡음은 억제되기 때문에, 위상 동기 루프의 잠금 대역폭 주파수보다 낮은 푸리에 주파수 영역에서의 레이저의 타이밍 잡음을 측정할 수 없다는 한계가 있었다.A balanced optical cross-correlator (BOC), which directly measures the degree of overlapping of pulses versus pulses (ie, timing noise) using nonlinear crystals in the optical domain to solve the limited resolution problem of direct light detection, Was developed. The measurement using a balanced optical cross - correlator has been able to successfully measure the femtosecond level timing noise of the freely oscillating mode locked laser in the Fourier frequency region above several kHz. However, for measurement using a balanced optical cross-correlator, a phase-locked loop is required to match the repetition rates of two independent lasers, and in a Fourier frequency region lower than the lock bandwidth frequency of a phase- There is a limitation in that the timing noise of the laser in the Fourier frequency region lower than the lock bandwidth frequency of the phase locked loop can not be measured.

미국등록특허 제7940390호U.S. Patent No. 7940390 미국등록특허 제7397567호U.S. Patent No. 7397567 한국 공개특허공보 제10-2012-0058275호Korean Patent Publication No. 10-2012-0058275

본 발명의 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 장치는, 제1 광 펄스열을 생성하는 제1 레이저; 제2 광 펄스열을 생성하는 제2 레이저; 상기 제1 광 펄스열 및 상기 제2 광 펄스열 사이의 타이밍 오차에 기초하여 제1 출력 신호를 생성하는 균형 광 상호상관기; 상기 제1 출력 신호를 통과시켜 제2 출력 신호를 생성하는 루프 필터; 및 상기 제1 출력 신호에 기초하여 잠금 대역폭 주파수보다 높은 푸리에 주파수에서의 제1 타이밍 잡음을 측정하고, 상기 제2 출력 신호에 기초하여 상기 잠금 대역폭 주파수보다 낮은 푸리에 주파수에서의 제2 타이밍 잡음을 측정하는 측정부를 포함할 수 있다.An apparatus for measuring timing noise of a femtosecond laser according to an embodiment of the present invention includes: a first laser that generates a first optical pulse train; A second laser for generating a second optical pulse train; A balanced optical correlator for generating a first output signal based on a timing error between the first optical pulse train and the second optical pulse train; A loop filter for passing the first output signal and generating a second output signal; And measuring a first timing noise at a Fourier frequency higher than the lock bandwidth frequency based on the first output signal and measuring a second timing noise at a Fourier frequency lower than the lock bandwidth frequency based on the second output signal And a measuring unit for measuring the temperature of the liquid.

상기 제2 레이저는 반복률 조정부를 더 포함할 수 있고, 상기 반복률 조정부는 상기 제2 출력 신호에 기초하여 상기 제1 레이저 및 상기 제2 레이저의 반복률을 동기화할 수 있다. 상기 반복률 조정부는 압전소자와 같은 액츄에이터를 포함할 수 있다.The second laser may further include a repetition rate adjusting unit, and the repetition rate adjusting unit may synchronize the repetition rate of the first laser and the second laser based on the second output signal. The repetition rate adjusting unit may include an actuator such as a piezoelectric element.

상기 측정부는, 상기 제2 출력 신호로부터 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 획득하고, 상기 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 상기 제2 타이밍 잡음으로 변환할 수 있다. 여기서, 상기 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 위상 잡음 스펙트럼 밀도로 환산하고, 상기 위상 잡음 스펙트럼 밀도를 상기 제2 타이밍 잡음으로 변환할 수 있다.The measuring unit may obtain a frequency noise spectral density from the second output signal and convert the frequency noise spectral density to the second timing noise. Here, the frequency noise spectral density may be converted into a phase noise spectral density, and the phase noise spectral density may be converted into the second timing noise.

상기 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 장치는, 상기 제1 타이밍 잡음 및 상기 제2 타이밍 잡음에 기초하여 전체 타이밍 잡음을 출력하는 출력부를 더 포함할 수 있다.The timing noise measuring apparatus of the femtosecond laser may further include an output unit for outputting overall timing noise based on the first timing noise and the second timing noise.

본 발명의 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 방법은, 제1 레이저를 이용하여 제1 광 펄스열을 생성하는 단계; 제2 레이저를 이용하여 제2 광 펄스열을 생성하는 단계; 균형 광 상호상관기를 이용하여 상기 제1 광 펄스열 및 상기 제2 광 펄스열 사이의 타이밍 오차에 기초하여 제1 출력 신호를 생성하는 단계; 상기 제1 출력 신호를 루프 필터에 통과시켜 제2 출력 신호를 생성하는 단계; 상기 제1 출력 신호에 기초하여 잠금 대역폭 주파수보다 높은 푸리에 주파수에서의 제1 타이밍 잡음을 측정하는 단계; 및 상기 제2 출력 신호에 기초하여 상기 잠금 대역폭 주파수보다 낮은 푸리에 주파수에서의 제2 타이밍 잡음을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.A method of measuring timing noise of a femtosecond laser according to an exemplary embodiment of the present invention includes: generating a first optical pulse train using a first laser; Generating a second optical pulse train using a second laser; Generating a first output signal based on a timing error between the first optical pulse train and the second optical pulse train using a balanced optical cross-correlator; Passing the first output signal to a loop filter to produce a second output signal; Measuring a first timing noise at a Fourier frequency higher than the lock bandwidth frequency based on the first output signal; And measuring a second timing noise at a Fourier frequency lower than the lock bandwidth frequency based on the second output signal.

상기 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 방법은 상기 제2 출력 신호에 기초하여 상기 제1 레이저 및 상기 제2 레이저의 반복률을 동기화하는 단계를 더 포함할 수 있다. 여기서, 상기 동기화하는 단계는 상기 제2 레이저에 포함된 압전소자를 이용하는 단계를 포함할 수 있다.The method of measuring timing noise of the femtosecond laser may further include synchronizing a repetition rate of the first laser and the second laser based on the second output signal. Here, the step of synchronizing may include using a piezoelectric element included in the second laser.

상기 제2 타이밍 잡음을 측정하는 단계는, 상기 제2 출력 신호로부터 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 획득하는 단계; 및 상기 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 상기 제2 타이밍 잡음으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 상기 제2 타이밍 잡음으로 변환하는 단계는, 상기 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 위상 잡음 스펙트럼 밀도로 환산하는 단계; 및 상기 위상 잡음 스펙트럼 밀도를 상기 제2 타이밍 잡음으로 변환하는 단계를 포함할 수 있다.Wherein measuring the second timing noise comprises: obtaining a frequency noise spectral density from the second output signal; And converting the frequency noise spectral density to the second timing noise. The step of converting the frequency noise spectral density into the second timing noise may include converting the frequency noise spectral density into a phase noise spectral density; And converting the phase noise spectral density to the second timing noise.

상기 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 방법은 상기 제1 타이밍 잡음 및 상기 제2 타이밍 잡음에 기초하여 전체 타이밍 잡음을 출력하는 단계를 더 포함할 수 있다.The timing noise measurement method of the femtosecond laser may further include outputting the entire timing noise based on the first timing noise and the second timing noise.

본 발명의 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 장치는, 측정 대상 레이저에서 생성된 광 펄스열 및 레퍼런스 레이저에서 생성된 광 펄스열 사이의 타이밍 오차에 기초하여 제1 출력 신호를 생성하는 균형 광 상호상관기; 상기 제1 출력 신호를 통과시켜 반복률 조정부에 제공되는 제2 출력 신호를 생성하는 루프 필터; 상기 제1 출력 신호에 기초하여 잠금 대역폭 주파수보다 높은 푸리에 주파수에서의 제1 타이밍 잡음을 획득하는 제1 측정부; 상기 제2 출력 신호에 기초하여 상기 제2 출력 신호로부터 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 획득하고, 상기 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 위상 잡음 스펙트럼 밀도로 환산하고, 상기 위상 잡음 스펙트럼 밀도를 상기 제2 타이밍 잡음으로 변환하는 제2 측정부; 및 상기 제1 타이밍 잡음 및 상기 제2 타이밍 잡음에 기초하여 상기 측정 대상 레이저의 타이밍 잡음을 출력하는 출력부를 포함할 수 있다. 여기서, 상기 레퍼런스 레이저의 타이밍 잡음은 상기 측정 대상 레이저의 타이밍 잡음보다 낮거나 같은 것을 특징으로 할 수 있다.An apparatus for measuring timing noise of a femtosecond laser according to an embodiment of the present invention includes a balanced optical fiber for generating a first output signal based on a timing error between an optical pulse train generated in a measurement target laser and an optical pulse train generated in a reference laser A correlator; A loop filter for passing the first output signal to generate a second output signal provided to the repetition rate adjusting unit; A first measurement unit for obtaining a first timing noise at a Fourier frequency higher than the lock bandwidth frequency based on the first output signal; Obtaining a frequency noise spectral density from the second output signal based on the second output signal, converting the frequency noise spectral density to a phase noise spectral density, and converting the phase noise spectral density to the second timing noise A second measuring unit; And an output unit for outputting timing noise of the measurement object laser based on the first timing noise and the second timing noise. Here, the timing noise of the reference laser may be lower than or equal to the timing noise of the measurement target laser.

본 발명의 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 방법은, 균형 광 상호상관기를 이용하여, 측정 대상 레이저에서 생성된 광 펄스열 및 레퍼런스 레이저에서 생성된 광 펄스열 사이의 타이밍 오차에 기초하여 제1 출력 신호를 생성하는 단계; 상기 제1 출력 신호를 루프 필터에 통과시켜 반복률 조정부에 제공되는 제2 출력 신호를 생성하는 단계; 상기 제1 출력 신호에 기초하여 잠금 대역폭 주파수보다 높은 푸리에 주파수에서의 제1 타이밍 잡음을 획득하는 단계; 상기 제2 출력 신호에 기초하여 상기 제2 출력 신호로부터 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 획득하는 단계; 상기 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 위상 잡음 스펙트럼 밀도로 환산하고, 상기 위상 잡음 스펙트럼 밀도를 상기 잠금 대역폭 주파수보다 낮은 푸리에 주파수에서의 제2 타이밍 잡음으로 변환하는 단계; 및 상기 제1 타이밍 잡음 및 상기 제2 타이밍 잡음에 기초하여 상기 측정 대상 레이저의 타이밍 잡음을 출력하는 단계를 포함할 수 있다.A method for measuring timing noise of a femtosecond laser according to an exemplary embodiment of the present invention includes calculating a timing error between a first pulse train generated in a measurement target laser and an optical pulse train generated in a reference laser using a balanced optical cross- Generating an output signal; Passing the first output signal through a loop filter to generate a second output signal provided to the repetition rate adjusting unit; Obtaining a first timing noise at a Fourier frequency higher than the lock bandwidth frequency based on the first output signal; Obtaining a frequency noise spectral density from the second output signal based on the second output signal; Converting the frequency noise spectral density into a phase noise spectral density and converting the phase noise spectral density to a second timing noise at a Fourier frequency lower than the lock bandwidth frequency; And outputting timing noise of the measurement object laser based on the first timing noise and the second timing noise.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 장치를 개략적으로 나타낸 도면이다.
도 2a 내지 도 2c는 잠금 대역폭 주파수 이상의 푸리에 주파수 영역에서의 잡음 및 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역에서의 잡음을 각각 측정하여 전체 범위의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음을 구하는 과정을 나타낸다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 잠금 대역폭 주파수 이내의 타이밍 잡음을 측정하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따라 잠금 대역폭 주파수 이상 및 잠금 대역폭 주파수 이내의 타이밍 잡음을 측정하는 방법을 나타낸 순서도이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따라 측정된 타이밍 잡음 스펙트럼 밀도 및 RMS 타이밍 잡음을 나타낸다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따라 측정된 타이밍 잡음 스펙트럼 밀도 및 직접 광 탐지법을 이용하여 측정된 타이밍 잡음 스펙트럼 밀도를 나타내며, 각 측정법의 배경잡음을 함께 표현함으로써 각 방법에 따라 측정할 수 있는 최소 잡음을 나타낸다.1 is a schematic diagram of an apparatus for measuring timing noise of a femtosecond laser according to an embodiment of the present invention.
FIGS. 2A to 2C illustrate a process of obtaining timing noise in the Fourier frequency region of the entire range by measuring noise in the Fourier frequency region above the lock bandwidth frequency and noise in the Fourier frequency region within the lock bandwidth frequency, respectively.
FIG. 3 is a flowchart illustrating a method of measuring timing noise within a lock bandwidth frequency according to an exemplary embodiment of the present invention. Referring to FIG.
4 is a flowchart illustrating a method of measuring timing noise within a lock bandwidth frequency and a lock bandwidth frequency according to an exemplary embodiment of the present invention.
Figure 5 shows timing noise spectral density and RMS timing noise measured according to one embodiment of the present invention.
Figure 6 shows the timing noise spectral density measured using the timing noise spectral density and the direct light detection method measured according to an embodiment of the present invention and can be measured according to each method by representing the background noise of each measurement method together Represents the minimum noise.

본 발명에서는 균형 광 상호상관기를 이용하여 높은 측정 분해능을 유지하면서도 위상 동기 루프의 잠금 대역폭 주파수 이내를 포함하는 매우 넓은 구간의 푸리에 주파수 범위(mHz 이하에서부터 나이퀴스트 주파수까지)에 걸친 타이밍 잡음을 측정하는 방법 및 장치를 제안한다.The present invention uses a balanced optical cross-correlator to measure timing noise over a very wide range of Fourier frequency range (from mHz to Nyquist frequency), including within the lock bandwidth of the phase-locked loop, while maintaining high measurement resolution. A method and an apparatus are proposed.

펨토초 레이저는 일정한 주기(반복률의 역수)로 광 펄스를 생성할 수 있으며, 생성된 광 펄스가 시간축 타이밍에서 벗어나는 양을 타이밍 잡음이라고 한다. 측정 대상 레이저의 비교 대상으로서 레퍼런스 레이저가 필요하며, 레퍼런스 레이저와 측정 대상 레이저로부터 각각 생성된 펄스열을 서로 비교하여 타이밍 잡음을 측정할 수 있다. 두 레이저로부터 각각 생성된 펄스열을 서로 비교하기 때문에 두 레이저 중에서 잡음이 더 큰 쪽의 타이밍 잡음이 측정된다. 따라서, 측정 대상 레이저의 타이밍 잡음을 측정하기 위해서는 측정 대상 레이저보다 타이밍 잡음이 더 낮거나 같은 레퍼런스 레이저가 이용된다. 만일 측정 대상 레이저와 레퍼런스 레이저의 타이밍 잡음이 서로 같은 경우, 측정된 타이밍 잡음의 파워 스펙트럼 밀도 값을 반으로 나누면 된다.A femtosecond laser can generate a light pulse with a certain period (inverse of the repetition rate), and the amount by which the generated light pulse deviates from the time axis timing is called timing noise. A reference laser is required as a comparison object of the measurement target laser, and the timing noise can be measured by comparing the pulse train generated from each of the reference laser and the measurement target laser with each other. Since the pulse sequences generated from the two lasers are compared with each other, the timing noise of the two lasers is measured. Therefore, in order to measure the timing noise of the measurement target laser, a reference laser having a timing noise lower than or equal to that of the measurement target laser is used. If the timing noise of the measurement target laser and the reference laser are the same, the power spectral density value of the measured timing noise is divided by half.

본 발명에서는 레퍼런스 레이저와 측정 대상 레이저(예를 들어, 제1 레이저 및 제2 레이저)를 서로 동기화하고, 레이저를 동기화하기 위하여 사용되는 반복률 조정부(예를 들어, 압전소자와 같은 액츄에이터)에 입력되는 전압 신호에 포함된 잠금 대역폭 주파수 이내에서의 레이저 반복률의 주파수 잡음 성분을 획득한다. 이어서, 획득된 주파수 잡음 성분을 수학적 정의에 의하여 레이저의 타이밍 잡음으로 변환한다. 잠금 대역폭 주파수 이내의 느린 주파수 성분의 타이밍 잡음을 정확하게 측정하기 위해서는 드리프트가 적은 위상 검출기를 이용하는 것이 바람직하므로, 본 발명에서는 비선형 결정을 사용하여 광 영역에서 직접 타이밍 잡음을 측정하는 균형 광 상호상관기를 위상 검출기로 이용한다. 이러한 방식으로, 본 발명에서는 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 지터를 측정할 수 있다. 잠금 대역폭 주파수 이상의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 지터는 종래의 측정 방법과 마찬가지로 레퍼런스 레이저 및 측정 대상 레이저를 동기화한 후 균형 광 상호상관기의 출력 신호를 측정하여 검출할 수 있다.In the present invention, the reference laser and the measurement object laser (for example, the first laser and the second laser) are synchronized with each other and input to a repetition rate adjusting section (for example, an actuator such as a piezoelectric element) The frequency noise component of the laser repetition rate within the lock bandwidth frequency included in the voltage signal is obtained. Subsequently, the obtained frequency noise component is converted into a timing noise of the laser by a mathematical definition. In order to accurately measure the timing noise of a slow frequency component within a lock bandwidth frequency, it is preferable to use a phase detector with little drift. Therefore, in the present invention, a balanced optical cross- It is used as a detector. In this manner, the present invention can measure timing jitter in the Fourier frequency domain within the lock bandwidth frequency. Timing jitter in the Fourier frequency region above the lock bandwidth frequency can be detected by measuring the output signal of the balanced optical correlator after synchronizing the reference laser and the laser to be measured, as in the conventional measurement method.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 장치를 개략적으로 나타낸다. 제1 레이저(110) 및 제2 레이저(120)에서 각각 생성된 두 펄스열을 합한 후 균형 광 상호상관기(130)에 입력하면, 균형 광 상호상관기(130)에서 두 펄스열 사이의 타이밍 오차에 비례하는 전압 신호를 생성한다. 두 펄스열이 서로 동기화되어 겹쳐져야 연속적인 오차 신호가 생성되므로, 균형 광 상호상관기(130)에서 생성된 오차 신호(150)는 루프 필터(140)를 거쳐 반복률 조정부(예컨대, 제2 레이저(120)의 공진기 내부에 거울과 함께 설치된 압전소자)에 제공되고, 그에 따라 제1 레이저(110) 및 제2 레이저(120)의 반복률은 특정한 잠금 대역폭 주파수(주로 수 kHz)을 가지고 동기화된다.1 schematically shows an apparatus for measuring a timing noise of a femtosecond laser according to an embodiment of the present invention. When the two pulse strings generated by the first laser 110 and the second laser 120 are summed and then input to the balanced optical correlator 130, the balanced optical correlator 130 generates a signal proportional to the timing error between the two pulse strings Voltage signal. The error signal 150 generated by the balanced optical correlator 130 is transmitted through the loop filter 140 to the repetition rate adjusting unit (e.g., the second laser 120) through the loop filter 140, A piezoelectric element provided with a mirror inside the resonator of the first laser 110 and thus the repetition rate of the first laser 110 and the second laser 120 is synchronized with a specific lock bandwidth frequency (mainly several kHz).

잠금 대역폭 주파수 이상의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음은 제1 레이저(110) 및 제2 레이저(120)가 동기화 된 후에 균형 광 상호상관기의 출력 신호(150)를 측정하여 검출할 수 있다. 다만, 두 레이저의 동기화로 인하여 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역에서는 균형 광 상호상관기의 출력 신호(150)에서 검출되는 타이밍 잡음이 억제되기 때문에, 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음은 균형 광 상호상관기의 출력 신호(150)로부터 정확하게 검출하는 데 어려움이 있다.Timing noise in the Fourier frequency domain above the lock bandwidth frequency can be detected by measuring the output signal 150 of the balanced optical correlator after the first laser 110 and the second laser 120 are synchronized. However, since the timing noise detected in the output signal 150 of the balanced optical correlator is suppressed in the Fourier frequency region within the lock bandwidth frequency due to the synchronization of the two lasers, the timing noise in the Fourier frequency region within the lock bandwidth frequency is There is a difficulty in accurately detecting from the output signal 150 of the balanced optical correlator.

잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음은 다음과 같은 방법으로 측정할 수 있다. 레이저 반복률의 동기화를 위하여 제2 레이저(120) 내부에 설치된 압전소자와 같은 액츄에이터를 이용하므로, 여기서 압전소자에 입력되는 전압 신호는 잠금 대역폭 주파수 이내에서의 레이저의 타이밍 잡음 정보를 포함하고 있다. 즉, 압전소자에 가해지는 전압에 비례하여 레이저 반복률이 조정되므로 압전소자에 가해지는 전압을 측정하면 레이저 반복률의 잡음(주파수 잡음)을 획득할 수 있다. 따라서, 균형 광 상호상관기의 출력 신호(150)를 루프 필터(140)에 통과시켜 제2 레이저(120)의 압전소자에 제공되는 피드백 신호(160)를 측정하여 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 획득할 수 있으며, 이와 같이 측정된 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 다시 레이저의 타이밍 잡음으로 변환하면, 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음을 검출할 수 있다.The timing noise in the Fourier frequency domain within the lock bandwidth frequency can be measured in the following manner. An actuator such as a piezoelectric element provided inside the second laser 120 is used for synchronization of the laser repetition rate, so that the voltage signal inputted to the piezoelectric element includes timing noise information of the laser within the lock bandwidth frequency. That is, since the laser repetition rate is adjusted in proportion to the voltage applied to the piezoelectric element, the noise (frequency noise) of the laser repetition rate can be obtained by measuring the voltage applied to the piezoelectric element. Thus, the output signal 150 of the balanced optical correlator can be passed to the loop filter 140 to measure the feedback signal 160 provided to the piezoelectric element of the second laser 120 to obtain the frequency noise spectral density , The timing noise in the Fourier frequency domain within the lock bandwidth frequency can be detected by converting the measured frequency noise spectral density into the timing noise of the laser again.

측정된 주파수 잡음 스펙트럼 밀도는 수학적 정의에 따라 수학식 1 및 수학식 2에 의하여 레이저의 타이밍 잡음 스펙트럼 밀도로 변환될 수 있다.The measured frequency noise spectral density can be converted to the timing noise spectral density of the laser according to mathematical definitions by Equations (1) and (2).

Figure 112015002878612-pat00001
Figure 112015002878612-pat00001

(

Figure 112015002878612-pat00002
: 반복률 주파수에서의 위상 잡음 스펙트럼 밀도 (rad2/Hz),
Figure 112015002878612-pat00003
: 주파수 잡음 스펙트럼 밀도 (Hz2/Hz), f : 푸리에 주파수)(
Figure 112015002878612-pat00002
: Phase noise spectral density at repetition frequency (rad 2 / Hz),
Figure 112015002878612-pat00003
: Frequency noise spectral density (Hz 2 / Hz), f : Fourier frequency)

Figure 112015002878612-pat00004
Figure 112015002878612-pat00004

(

Figure 112015002878612-pat00005
: 타이밍 잡음 스펙트럼 밀도 (s2/Hz), f R : 반복률 주파수)
(
Figure 112015002878612-pat00005
: Timing noise spectral density (s 2 / Hz), f R : repetition rate frequency)

즉, 측정된 주파수 잡음 스펙트럼 밀도는 수학식 1에 따라 반복률 주파수에서의 위상 잡음 스펙트럼 밀도로 환산된 뒤, 다시 수학식 2에 따라 타이밍 잡음 스펙트럼 밀도로 변환될 수 있다. 이와 같은 방식으로, 압전소자에 제공되는 피드백 신호(160)로부터 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음을 검출할 수 있다.That is, the measured frequency noise spectral density may be converted into the phase noise spectral density at the repetition rate frequency according to Equation (1), and then converted back to the timing noise spectral density according to Equation (2). In this manner, timing noise in the Fourier frequency domain within the lock bandwidth frequency can be detected from the feedback signal 160 provided to the piezoelectric element.

균형 광 상호상관기의 출력 신호(150)로부터 검출된 잠금 대역폭 주파수 이상의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음과 압전소자에 제공되는 피드백 신호(160)로부터 검출된 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음을 합하면 레이저 자체의 타이밍 잡음을 얻을 수 있다. 이와 같은 방식으로, 높은 측정 분해능을 유지하면서도 매우 넓은 구간의 푸리에 주파수 범위(위상 동기 루프의 잠금 대역폭 주파수 이내를 포함)에 걸친 타이밍 잡음을 정확하게 측정할 수 있다.Timing noise in the Fourier frequency region within the lock bandwidth frequency detected within the lock bandwidth frequency detected from the timing noise in the Fourier frequency region exceeding the lock bandwidth frequency detected from the output signal 150 of the balanced optical correlator and from the feedback signal 160 provided to the piezoelectric element The timing noise of the laser itself can be obtained. In this way, it is possible to accurately measure the timing noise over a very wide range of Fourier frequency ranges (including within the lock bandwidth frequency of the phase-locked loop) while maintaining high measurement resolution.

도 2a 내지 도 2c는 도 1의 타이밍 잡음 측정 장치에 따라 잠금 대역폭 주파수 이상의 푸리에 주파수 영역에서의 잡음 및 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역에서의 잡음을 각각 측정하여 전체 범위의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음을 구하는 과정을 예시적으로 나타낸다.2A to 2C are diagrams illustrating timing noise in a Fourier frequency domain over a lock bandwidth frequency and noise in a Fourier frequency domain within a lock bandwidth frequency, respectively, according to the timing noise measuring apparatus of FIG. 1, The process of obtaining noise is exemplarily shown.

도 2a는 균형 광 상호상관기의 출력 신호(150)로부터 획득된 위상 잡음 스펙트럼 밀도를 예시적으로 나타낸 그래프이다. 두 레이저의 동기화로 인하여 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역에서는 균형 광 상호상관기의 출력 신호(150)에서 검출되는 타이밍 잡음이 억제되기 때문에, 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역의 타이밍 잡음은 정확하게 측정될 수 없다. 따라서, 도 2a의 그래프에서 레이저의 타이밍 잡음 정보를 정확하게 포함하고 있는 부분은 잠금 대역폭 주파수 이상의 푸리에 주파수 영역에 해당하는 제1 영역(210)이다.2A is a graph exemplarily illustrating the phase noise spectral density obtained from the output signal 150 of the balanced optical correlator. Since the timing noise detected in the output signal 150 of the balanced optical correlator is suppressed in the Fourier frequency domain within the lock bandwidth frequency due to the synchronization of the two lasers, the timing noise in the Fourier frequency domain within the lock bandwidth frequency is accurately measured I can not. Therefore, in the graph of FIG. 2A, the portion including the timing noise information of the laser precisely is the first region 210 corresponding to the Fourier frequency region above the lock bandwidth frequency.

도 2b는 반복률 조정부에 제공되는 피드백 신호(160)로부터 획득된 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 예시적으로 나타낸 그래프이다. 반복률 조정부에 제공되는 피드백 신호(160)는 잠금 대역폭 주파수 이내에서의 레이저의 타이밍 잡음 정보를 포함하고 있다. 따라서, 도 2b의 그래프에서 레이저의 타이밍 잡음 정보를 정확하게 포함하고 있는 부분은 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역에 해당하는 제2 영역(220)이다.2B is a graph exemplarily showing the frequency noise spectral density obtained from the feedback signal 160 provided to the repetition rate adjusting unit. The feedback signal 160 provided to the repetition rate adjustment section includes timing noise information of the laser within the lock bandwidth frequency. Accordingly, in the graph of FIG. 2B, the portion including the timing noise information of the laser accurately is the second region 220 corresponding to the Fourier frequency region within the lock bandwidth frequency.

도 2c는 도 2a 및 도 2b의 제1 영역(210) 및 제2 영역(220)의 타이밍 잡음 정보를 이용하여 전체 푸리에 주파수 영역에서의 레이저의 타이밍 잡음 정보를 획득한 결과를 예시적으로 나타낸다. 잠금 대역폭 주파수 이상의 푸리에 주파수 영역에서의 잡음 및 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역에서의 잡음을 통합하기 위하여, 도 2b의 제2 영역(220)의 주파수 잡음 스펙트럼 밀도는 수학식 1에 의하여 도 2c의 제2 영역(220')의 위상 잡음 스펙트럼 밀도로 환산될 수 있다.FIG. 2C exemplarily shows a result of acquiring timing noise information of the laser in the entire Fourier frequency region using the timing noise information of the first region 210 and the second region 220 of FIGS. 2A and 2B. To integrate the noise in the Fourier frequency domain above the lock bandwidth frequency and the noise in the Fourier frequency domain within the lock bandwidth frequency, the frequency noise spectral density of the second domain 220 of FIG. 2B is given by equation Can be converted to the phase noise spectral density of the second region 220 '.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 방법을 나타내는 순서도이다.3 is a flowchart illustrating a timing noise measurement method of a femtosecond laser according to an embodiment of the present invention.

단계(310)에서, 레퍼런스 레이저와 측정 대상 레이저(예를 들어, 제1 레이저 및 제2 레이저)로부터 각각 생성된 두 펄스열을 합한 후 균형 광 상호상관기를 이용하여 두 펄스열 사이의 타이밍 오차 신호를 생성할 수 있다.In step 310, two pulse sequences generated from the reference laser and the measurement target laser (e.g., the first laser and the second laser) are summed together, and then a timing error signal is generated between the two pulse strings using a balanced optical cross-correlator can do.

단계(320)에서, 상기 단계(310)에서 생성된 타이밍 오차 신호를 루프 필터에 통과시켜 동기화를 위하여 반복률 조정부에 제공되는 피드백 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 반복률 조정부는 압전소자와 같은 액츄에이터를 포함할 수 있다.In step 320, the timing error signal generated in step 310 may be passed through a loop filter to generate a feedback signal provided to the repetition rate adjustment unit for synchronization. Here, the repetition rate adjusting unit may include an actuator such as a piezoelectric element.

단계(330)에서, 상기 단계(320)에서 생성된 피드백 신호로부터 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 획득할 수 있다. 반복률 조정부에 가해지는 피드백 신호에 비례하여 레이저 반복률이 조정되므로, 피드백 신호는 잠금 대역폭 주파수 이내에서의 레이저의 타이밍 잡음 정보를 포함하고 있다.In step 330, the frequency noise spectral density may be obtained from the feedback signal generated in step 320. Since the laser repetition rate is adjusted in proportion to the feedback signal applied to the repetition rate adjusting section, the feedback signal includes the timing noise information of the laser within the lock bandwidth frequency.

단계(340)에서, 상기 단계(330)에서 획득된 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 위상 잡음 스펙트럼 밀도로 환산할 수 있다. 이 때, 획득된 주파수 잡음 스펙트럼 밀도는 수학식 1에 따라 위상 잡음 스펙트럼 밀도로 환산될 수 있다.In step 340, the frequency noise spectral density obtained in step 330 may be converted into the phase noise spectral density. At this time, the obtained frequency noise spectral density can be converted into phase noise spectral density according to Equation (1).

단계(350)에서, 상기 단계(340)에서 환산된 위상 잡음 스펙트럼 밀도를 변환하여 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음을 획득할 수 있다. 이 때, 환산된 위상 잡음 스펙트럼 밀도는 수학식 2에 따라 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음 스펙트럼 밀도로 변환될 수 있다.In step 350, the phase noise spectral density converted in step 340 may be converted to obtain timing noise in the Fourier frequency domain within the lock bandwidth frequency. At this time, the converted phase noise spectral density can be converted into the timing noise spectral density in the Fourier frequency domain within the lock bandwidth frequency according to Equation (2).

이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 방법에 의하면 균형 광 상호상관기를 이용하여 잠금 대역폭 주파수보다 낮은 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음까지도 측정할 수 있다.As described above, according to the timing noise measurement method of the femtosecond laser according to the embodiment of the present invention, the timing noise in the Fourier frequency region lower than the lock bandwidth frequency can be measured using the balanced optical cross-correlator.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 방법을 나타내는 순서도이다.4 is a flowchart illustrating a timing noise measurement method of a femtosecond laser according to an embodiment of the present invention.

단계(410)에서, 레퍼런스 레이저와 측정 대상 레이저(예를 들어, 제1 레이저 및 제2 레이저)로부터 각각 생성된 두 펄스열을 합한 후 균형 광 상호상관기를 이용하여 두 펄스열 사이의 타이밍 오차 신호를 생성할 수 있다.In step 410, the two pulse sequences generated from the reference laser and the measurement target laser (e.g., the first laser and the second laser) are summed and then a timing error signal is generated between the two pulse strings using a balanced optical cross-correlator can do.

단계(420)에서, 상기 단계(410)에서 생성된 타이밍 오차 신호로부터 잠금 대역폭 주파수 이상의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음을 획득할 수 있다. 두 레이저의 동기화로 인하여 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역에서는 상기 단계(410)에서 생성된 타이밍 오차 신호로부터 검출되는 타이밍 잡음이 억제되기 때문에, 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역의 타이밍 잡음은 정확하게 측정될 수 없다. 따라서, 현재 단계(420)에서는 잠금 대역폭 주파수 이상의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음 정보만을 측정한다.In step 420, timing noise in the Fourier frequency domain above the lock bandwidth frequency may be obtained from the timing error signal generated in step 410. Since the timing noise detected from the timing error signal generated in step 410 is suppressed in the Fourier frequency region within the lock bandwidth frequency due to the synchronization of the two lasers, the timing noise in the Fourier frequency region within the lock bandwidth frequency can be accurately measured Can not be. Therefore, at step 420, only timing noise information in the Fourier frequency domain above the lock bandwidth frequency is measured.

단계(430)에서, 상기 단계(410)에서 생성된 타이밍 오차 신호를 루프 필터에 통과시켜 반복률 조정부에 제공되는 피드백 신호를 생성할 수 있다. 여기서, 반복률 조정부는 압전소자와 같은 액츄에이터를 포함할 수 있다.In step 430, the timing error signal generated in step 410 may be passed through a loop filter to generate a feedback signal provided to the repetition rate adjustment unit. Here, the repetition rate adjusting unit may include an actuator such as a piezoelectric element.

단계(440)에서, 상기 단계(430)에서 생성된 피드백 신호로부터 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 획득할 수 있다. 반복률 조정부에 가해지는 피드백 신호에 비례하여 레이저 반복률이 조정되므로, 피드백 신호는 잠금 대역폭 주파수 이내에서의 레이저의 타이밍 잡음 정보를 포함하고 있다.In step 440, the frequency noise spectral density may be obtained from the feedback signal generated in step 430. Since the laser repetition rate is adjusted in proportion to the feedback signal applied to the repetition rate adjusting section, the feedback signal includes the timing noise information of the laser within the lock bandwidth frequency.

단계(450)에서, 상기 단계(440)에서 획득된 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 위상 잡음 스펙트럼 밀도로 환산할 수 있다. 이 때, 획득된 주파수 잡음 스펙트럼 밀도는 수학식 1에 따라 위상 잡음 스펙트럼 밀도로 환산될 수 있다.In step 450, the frequency noise spectral density obtained in step 440 may be converted into the phase noise spectral density. At this time, the obtained frequency noise spectral density can be converted into phase noise spectral density according to Equation (1).

단계(460)에서, 상기 단계(450)에서 환산된 위상 잡음 스펙트럼 밀도를 변환하여 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음을 획득할 수 있다. 이 때, 환산된 위상 잡음 스펙트럼 밀도는 수학식 2에 따라 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음으로 변환될 수 있다.In step 460, the phase noise spectral density converted in step 450 may be transformed to obtain timing noise in the Fourier frequency domain within the lock bandwidth frequency. At this time, the converted phase noise spectral density can be converted into timing noise in the Fourier frequency domain within the lock bandwidth frequency according to Equation (2).

단계(470)에서, 상기 단계(420)에서 획득되는 잠금 대역폭 주파수 이상의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음 및 상기 단계(460)에서 획득되는 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음을 통합하여, 전체 푸리에 주파수 영역에서의 레이저의 타이밍 잡음을 얻을 수 있다.In step 470, the timing noise in the Fourier frequency domain over the lock bandwidth frequency obtained in step 420 and the timing noise in the Fourier frequency domain within the lock bandwidth frequency obtained in step 460 are integrated, The timing noise of the laser in the entire Fourier frequency domain can be obtained.

이와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 방법에 의하면 균형 광 상호상관기를 이용하여 잠금 대역폭 주파수 이내의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음까지도 측정할 수 있을 뿐 아니라, 이를 잠금 대역폭 주파수 이상의 푸리에 주파수 영역에서의 타이밍 잡음과 통합하여 매우 넓은 범위의 타이밍 잡음 특성을 정확하게 측정할 수 있다.As described above, according to the timing noise measurement method of the femtosecond laser according to the embodiment of the present invention, not only the timing noise in the Fourier frequency region within the lock bandwidth frequency can be measured using the balanced optical cross-correlator, It is possible to accurately measure a very wide range of timing noise characteristics by integrating it with timing noise in the Fourier frequency region over the frequency.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 방법을 이용하여 77MHz의 반복률을 가진 스트레치드 펄스 자유 발진 어븀 광섬유 레이저의 타이밍 잡음을 측정한 결과를 나타낸다. 도 5의 그래프 (a)를 참조하면, 제1 곡선(501)은 반복률 조정부의 압전소자에 가해지는 전압 신호로부터 획득된 결과이며, 제2 곡선(502)는 균형 광 상호상관기의 출력 전압 신호로부터 획득된 결과이다. 본 실시예에서, 잠금 대역폭 주파수인 12kHz 이하에서는 제1 곡선(501)이 레이저의 타이밍 잡음을 나타내고, 잠금 대역폭 주파수인 12kHz 이상에서는 제2 곡선(502)이 레이저의 타이밍 잡음을 나타낸다.5 shows timing noise of a stretched pulse free oscillation erbium-doped fiber laser with a repetition rate of 77 MHz using a method according to an embodiment of the present invention. 5, the first curve 501 is a result obtained from the voltage signal applied to the piezoelectric element of the repetition rate adjusting unit, and the second curve 502 is a result obtained from the output voltage signal of the balanced optical correlator. It is the obtained result. In the present embodiment, the first curve 501 represents the timing noise of the laser at a lock bandwidth frequency of 12 kHz or lower, and the second curve 502 represents the timing noise of the laser at a lock bandwidth frequency of 12 kHz or higher.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 방법을 이용한 레이저의 타이밍 잡음 측정의 결과를 직접 광 탐지법을 이용하는 경우와 비교한 결과를 나타낸다. 제1 곡선은(610) 본 발명의 일실시예에 따라 균형 광 상호상관기를 이용하여 측정된 타이밍 잡음을 나타내고, 제2 곡선(620)은 직접 광 탐지법을 이용하여 측정된 타이밍 잡음을 나타낸다. 또한, 제3 곡선(630)은 직접 광 탐지법에 사용된 RF 증폭기 및 RF 혼합기의 배경잡음을 나타내고, 제4 곡선(640)은 균형 광 상호상관기의 배경잡음을 나타낸다. 제2 곡선(620)을 참조하면, 직접 광 탐지법을 이용하여 측정된 결과값은 측정 분해능의 부족으로 인하여 약 10kHz 이상의 푸리에 주파수 영역에서는 측정이 제한되었다. 이에 비하여, 제1 곡선(610)을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따라 균형 광 상호상관기를 이용하여 측정된 결과값은 직접 광 탐지법에 비해 60dB만큼 향상된 다이내믹 레인지를 가진다는 것을 알 수 있다.
FIG. 6 shows the results of timing noise measurement of a laser using a method according to an embodiment of the present invention, in comparison with the case of using a direct optical detection method. The first curve 610 represents the timing noise measured using the balanced optical cross-correlator according to an embodiment of the present invention, and the second curve 620 represents the timing noise measured using the direct light detection method. The third curve 630 represents the background noise of the RF amplifier and the RF mixer used in the direct light detection method, and the fourth curve 640 represents the background noise of the balanced optical correlator. Referring to the second curve 620, the measurement results using the direct optical detection method were limited in the Fourier frequency range of about 10 kHz or more due to the lack of measurement resolution. On the other hand, referring to the first curve 610, it can be seen that the measured value using the balanced optical cross-correlator according to an embodiment of the present invention has a dynamic range improved by 60 dB as compared with the direct optical detection method have.

이상에서 살펴본 바와 같이, 종래에는 펨토초 레이저의 타이밍 지터 특성을 제대로 측정할 수 없었고 대략적인 값들만 제시되었으며, 부정확한 방법으로 측정하거나, 높은 푸리에 주파수 범위(수 kHz 이상)에서 일부분만 측정하여서 사용해왔다. 본 발명에 따르면, 낮은 푸리에 주파수 영역(수 kHz 이하)의 타이밍 지터 특성까지 측정할 수 있으므로, 이를 이용하여 지터 특성을 최적화하여 매우 낮은 타이밍 지터가 필요한 분야에 다양하게 이용 및 응용될 수 있다.As described above, conventionally, the timing jitter characteristics of the femtosecond laser could not be properly measured, only approximate values were shown, and it was measured by an inaccurate method or by measuring only a part at a high Fourier frequency range (several kHz or more) . According to the present invention, timing jitter characteristics of a low Fourier frequency range (several kHz or less) can be measured. Therefore, the present invention can be used and applied to various fields requiring very low timing jitter by optimizing jitter characteristics.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments. For example, it is to be understood that the techniques described may be performed in a different order than the described methods, and / or that components of the described systems, structures, devices, circuits, Lt; / RTI > or equivalents, even if it is replaced or replaced.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.
Therefore, other implementations, other embodiments, and equivalents to the claims are also within the scope of the following claims.

Claims (15)

제1 광 펄스열을 생성하는 제1 레이저;
제2 광 펄스열을 생성하는 제2 레이저;
상기 제1 광 펄스열 및 상기 제2 광 펄스열 사이의 타이밍 오차에 기초하여 제1 출력 신호를 생성하는 균형 광 상호상관기;
상기 제1 출력 신호를 통과시켜 제2 출력 신호를 생성하는 루프 필터; 및
상기 제1 출력 신호로부터 획득한 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 환산하여 잠금 대역폭 주파수보다 높은 푸리에 주파수에서의 제1 타이밍 잡음을 측정하고, 상기 제2 출력 신호로부터 획득한 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 환산하여 상기 잠금 대역폭 주파수보다 낮은 푸리에 주파수에서의 제2 타이밍 잡음을 측정하는 측정부
를 포함하는, 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 장치.A first laser for generating a first optical pulse train;
A second laser for generating a second optical pulse train;
A balanced optical correlator for generating a first output signal based on a timing error between the first optical pulse train and the second optical pulse train;
A loop filter for passing the first output signal and generating a second output signal; And
Measuring a first timing noise at a Fourier frequency higher than a lock bandwidth frequency by converting the frequency noise spectral density obtained from the first output signal and converting the frequency noise spectral density obtained from the second output signal to the lock bandwidth Measuring a second timing noise at a Fourier frequency lower than the frequency
/ RTI > of the femtosecond laser. 제1항에 있어서,
상기 제2 레이저는 반복률 조정부를 더 포함하고,
상기 반복률 조정부는 상기 제2 출력 신호에 기초하여 상기 제1 레이저 및 상기 제2 레이저의 반복률을 동기화하는, 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 장치.The method according to claim 1,
Wherein the second laser further comprises a repetition rate adjusting unit,
Wherein the repetition rate adjustment unit synchronizes repetition rates of the first laser and the second laser based on the second output signal. 제2항에 있어서,
상기 반복률 조정부는 압전소자를 포함하는, 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 장치.3. The method of claim 2,
Wherein the repetition rate adjusting unit includes a piezoelectric element. 제1항에 있어서,
상기 측정부는,
상기 제2 출력 신호로부터 획득한 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 수학식
Figure 112017129909619-pat00014
을 이용하여 위상 잡음 스펙트럼 밀도로 환산하고, 상기 위상 잡음 스펙트럼 밀도를 수학식
Figure 112017129909619-pat00015
를 이용하여 상기 제2 타이밍 잡음에 대응하는 타이밍 잡음 스펙트럼 밀도로 변환하고,
여기서
Figure 112017129909619-pat00016
는 반복률 주파수에서의 위상 잡음 스펙트럼 밀도를 나타내고,
Figure 112017129909619-pat00017
는 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 나타내고,
Figure 112017129909619-pat00018
는 타이밍 잡음 스펙트럼 밀도를 나타내고, f는 푸리에 주파수를 나타내고 fR 은 반복률 주파수를 나타내는,
펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 장치.The method according to claim 1,
Wherein the measuring unit comprises:
Wherein the frequency noise spectral density obtained from the second output signal is expressed by Equation
Figure 112017129909619-pat00014
And converting the phase noise spectral density into a phase noise spectral density using equation
Figure 112017129909619-pat00015
To a timing noise spectral density corresponding to the second timing noise,
here
Figure 112017129909619-pat00016
Represents the phase noise spectral density at the repetition rate frequency,
Figure 112017129909619-pat00017
Represents the frequency noise spectral density,
Figure 112017129909619-pat00018
Where f represents the Fourier frequency and f R represents the repetition rate frequency,
Timing noise measurement device of femtosecond laser. 삭제delete 제1항에 있어서,
상기 제1 타이밍 잡음 및 상기 제2 타이밍 잡음에 기초하여 전체 타이밍 잡음을 출력하는 출력부
를 더 포함하는, 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 장치.The method according to claim 1,
And outputting an overall timing noise based on the first timing noise and the second timing noise,
Further comprising: a timing noise measurement unit for measuring the timing noise of the femtosecond laser. 제1 레이저를 이용하여 제1 광 펄스열을 생성하는 단계;
제2 레이저를 이용하여 제2 광 펄스열을 생성하는 단계;
균형 광 상호상관기를 이용하여 상기 제1 광 펄스열 및 상기 제2 광 펄스열 사이의 타이밍 오차에 기초하여 제1 출력 신호를 생성하는 단계;
상기 제1 출력 신호를 루프 필터에 통과시켜 제2 출력 신호를 생성하는 단계;
상기 제1 출력 신호로부터 획득한 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 환산하여 잠금 대역폭 주파수보다 높은 푸리에 주파수에서의 제1 타이밍 잡음을 측정하는 단계; 및
상기 제2 출력 신호로부터 획득한 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 환산하여 상기 잠금 대역폭 주파수보다 낮은 푸리에 주파수에서의 제2 타이밍 잡음을 측정하는 단계
를 포함하는, 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 방법.Generating a first optical pulse train using a first laser;
Generating a second optical pulse train using a second laser;
Generating a first output signal based on a timing error between the first optical pulse train and the second optical pulse train using a balanced optical cross-correlator;
Passing the first output signal to a loop filter to produce a second output signal;
Measuring a first timing noise at a Fourier frequency higher than the lock bandwidth frequency by converting the frequency noise spectral density obtained from the first output signal; And
Measuring a second timing noise at a Fourier frequency lower than the lock bandwidth frequency by converting a frequency noise spectral density obtained from the second output signal,
/ RTI > laser of a femtosecond laser. 제7항에 있어서,
상기 제2 출력 신호에 기초하여 상기 제1 레이저 및 상기 제2 레이저의 반복률을 동기화하는 단계
를 더 포함하는, 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 방법.8. The method of claim 7,
Synchronizing a repetition rate of the first laser and the second laser based on the second output signal
/ RTI > laser of claim 1 further comprising: 제8항에 있어서,
상기 동기화하는 단계는 상기 제2 레이저에 포함된 압전소자를 이용하는 단계를 포함하는, 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 방법.9. The method of claim 8,
Wherein the step of synchronizing comprises using a piezoelectric element included in the second laser. 제7항에 있어서,
상기 제2 타이밍 잡음을 측정하는 단계는,
상기 제2 출력 신호로부터 획득한 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 수학식
Figure 112017129909619-pat00019
을 이용하여 위상 잡음 스펙트럼 밀도로 환산하는 단계; 및
상기 위상 잡음 스펙트럼 밀도를 수학식
Figure 112017129909619-pat00020
를 이용하여 상기 제2 타이밍 잡음에 대응하는 타이밍 잡음 스펙트럼 밀도로 변환하는 단계
를 포함하고,
여기서
Figure 112017129909619-pat00021
는 반복률 주파수에서의 위상 잡음 스펙트럼 밀도를 나타내고,
Figure 112017129909619-pat00022
는 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 나타내고,
Figure 112017129909619-pat00023
는 타이밍 잡음 스펙트럼 밀도를 나타내고, f는 푸리에 주파수를 나타내고 fR 은 반복률 주파수를 나타내는,
펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 방법.8. The method of claim 7,
Wherein measuring the second timing noise comprises:
Wherein the frequency noise spectral density obtained from the second output signal is expressed by Equation
Figure 112017129909619-pat00019
To a phase noise spectral density; And
The phase noise spectral density is calculated from Equation
Figure 112017129909619-pat00020
To a timing noise spectral density corresponding to the second timing noise
Lt; / RTI >
here
Figure 112017129909619-pat00021
Represents the phase noise spectral density at the repetition rate frequency,
Figure 112017129909619-pat00022
Represents the frequency noise spectral density,
Figure 112017129909619-pat00023
Where f represents the Fourier frequency and f R represents the repetition rate frequency,
Timing noise measurement method of femtosecond laser. 삭제delete 제7항에 있어서,
상기 제1 타이밍 잡음 및 상기 제2 타이밍 잡음에 기초하여 전체 타이밍 잡음을 출력하는 단계
를 더 포함하는, 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 방법.8. The method of claim 7,
And outputting the entire timing noise based on the first timing noise and the second timing noise
/ RTI > laser of claim 1 further comprising: 측정 대상 레이저에서 생성된 광 펄스열 및 레퍼런스 레이저에서 생성된 광 펄스열 사이의 타이밍 오차에 기초하여 제1 출력 신호를 생성하는 균형 광 상호상관기;
상기 제1 출력 신호를 입력 받아 제2 출력 신호를 생성하고, 상기 제2 출력 신호를 반복률 조정부로 출력하는 루프 필터;
상기 제1 출력 신호로부터 획득한 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 환산하여 잠금 대역폭 주파수보다 높은 푸리에 주파수에서의 제1 타이밍 잡음을 획득하는 제1 측정부;
상기 제2 출력 신호로부터 획득한 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 위상 잡음 스펙트럼 밀도로 환산하고, 상기 위상 잡음 스펙트럼 밀도를 제2 타이밍 잡음으로 변환하는 제2 측정부; 및
상기 제1 타이밍 잡음 및 상기 제2 타이밍 잡음에 기초하여 상기 측정 대상 레이저의 타이밍 잡음을 출력하는 출력부
를 포함하는, 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 장치.A balanced optical correlator for generating a first output signal based on a timing error between an optical pulse train generated in the measurement target laser and an optical pulse train generated in the reference laser;
A loop filter for receiving the first output signal to generate a second output signal and outputting the second output signal to the repetition rate adjusting unit;
A first measurement unit for obtaining a first timing noise at a Fourier frequency higher than a lock bandwidth frequency by converting a frequency noise spectral density obtained from the first output signal;
A second measurement unit for converting the frequency noise spectral density obtained from the second output signal into a phase noise spectral density and converting the phase noise spectral density to a second timing noise; And
And outputting timing noise of the measurement target laser based on the first timing noise and the second timing noise,
/ RTI > of the femtosecond laser. 제13항에 있어서,
상기 레퍼런스 레이저의 타이밍 잡음은 상기 측정 대상 레이저의 타이밍 잡음보다 낮거나 같은 것을 특징으로 하는, 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 장치.14. The method of claim 13,
Wherein the timing noise of the reference laser is lower than or equal to the timing noise of the measurement target laser. 균형 광 상호상관기를 이용하여, 측정 대상 레이저에서 생성된 광 펄스열 및 레퍼런스 레이저에서 생성된 광 펄스열 사이의 타이밍 오차에 기초하여 제1 출력 신호를 생성하는 단계;
상기 제1 출력 신호를 루프 필터에 통과시켜 반복률 조정부에 제공되는 제2 출력 신호를 생성하는 단계;
상기 제1 출력 신호로부터 획득한 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 환산하여 잠금 대역폭 주파수보다 높은 푸리에 주파수에서의 제1 타이밍 잡음을 획득하는 단계;
상기 제2 출력 신호로부터 획득한 주파수 잡음 스펙트럼 밀도를 위상 잡음 스펙트럼 밀도로 환산하고, 상기 위상 잡음 스펙트럼 밀도를 상기 잠금 대역폭 주파수보다 낮은 푸리에 주파수에서의 제2 타이밍 잡음으로 변환하는 단계; 및
상기 제1 타이밍 잡음 및 상기 제2 타이밍 잡음에 기초하여 상기 측정 대상 레이저의 타이밍 잡음을 출력하는 단계
를 포함하는, 펨토초 레이저의 타이밍 잡음 측정 방법.
Generating a first output signal based on a timing error between the optical pulse train generated in the measurement target laser and the optical pulse train generated in the reference laser, using a balanced optical cross-correlator;
Passing the first output signal through a loop filter to generate a second output signal provided to the repetition rate adjusting unit;
Obtaining a first timing noise at a Fourier frequency higher than the lock bandwidth frequency by converting a frequency noise spectral density obtained from the first output signal;
Converting the frequency noise spectral density obtained from the second output signal to a phase noise spectral density and converting the phase noise spectral density to a second timing noise at a Fourier frequency lower than the lock bandwidth frequency; And
Outputting the timing noise of the measurement target laser based on the first timing noise and the second timing noise
/ RTI > laser of a femtosecond laser.
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US7940390B2 (en) 2006-11-30 2011-05-10 Massachusetts Institute Of Technology Compact background-free balanced cross-correlators

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