KR20080108799A - 선택적으로 증폭된 광빗을 이용한 마이크로파 기준주파수와광주파수 표준주파수를 동시에 전송하는 방법 - Google Patents

선택적으로 증폭된 광빗을 이용한 마이크로파 기준주파수와광주파수 표준주파수를 동시에 전송하는 방법 Download PDF

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Abstract

반도체 증폭기(semiconductor amplifier)를 이용하여 기준주파수에 위상 안정화된 광주파수 빗 중 원하는 특정 부분의 광주파수 빗을 위상 결맞음을 그대로 유지한 상태로 증폭한 후 광섬유 망을 통하여 원거리 전송할 경우 선택적으로 증폭되어 전송된 광주파수 빗은 원거리에 위치한 원격지에서 절대 광주파수 측정 혹은 마이크로파 기준 주파수 그리고 광주파수 표준으로 사용될 수 있다. 이는 원거리에 위치하고 세슘 원자의 D2전의선 중 F=4→F＇=5 전이선에 안정화된 반도체 레이저의 절대 광주파수를 측정하여 실험적으로 증명할 수 있다.
광주파수 빗, 마이크로파, 기준주파수, 광주파수, 무반사 코팅된 반도체 레이저, 반도체 증폭기.

Description

선택적으로 증폭된 광빗을 이용한 마이크로파 기준주파수와 광주파수 표준주파수를 동시에 전송하는 방법{simultaneous transfer of microwave and optical reference frequencies by selectively amplified optical frequency comb}
도1은 광주파수 빗의 특정 부분을 선택적으로 증폭한 후 광섬유망을 통하여 임의의 위치로 안정도가 높은 광주파수 표준주파수와 마이크로파 기준주파수를 전송하기 위한 장치이다.
도2는 펨토초 모드 동기 레이저를 기반으로 하는 광주파수 빗의 특정 부분을 선택적으로 증폭한 후 광섬유 망을 통하여 원거리로 전송하기 위한 실험 장치로서 전송된 광주파수 빗의 광주파수 표준주파수와 마이크로파 기준주파수를 이용하여 원거리에 위치하고 세슘 원자의 전이선에 안정화된 외부 공진기 다이오드의 광주파수를 원격 측정할 수 있다.
도3a는 1.5 nm 간섭 필터(원형)와 10 nm 간섭 필터(사각형)를 통과한 광주파수 빗에 의한 증폭이득과 파워 스펙트럼을 보인 그래프로서, 왼쪽 아랫부분에서 오른쪽 윗부분으로 증가하는 그래프는 주입되는 광의 파워를 1 mW로 고정한 후 다이오드의 전류를 변화시키면서 무반사 코팅된 반도체 레이저(AR-coated laser diode)의 증폭이득을 관찰한 결과이고, 왼쪽 윗부분에서 오른쪽 아랫부분으로 감소하는 그래프는 반도체 레이저의 전류를 120 mA로 고정한 후 주입되는 광의 파워를 변화 시키면서 증폭 이득을 관찰한 결과이다.
도3b는 반도체 증폭기 즉, 무반사 코팅된 반도체 레이저(AR-coated diode laser)에 광주파수 빗이 주입되기 전(사각형)과 후(원형)의 무반사 코팅된 반도체 레이저(AR-coated diode laser)의 출력 파워 스펙트럼으로서 왼쪽 윗부분에 삽입된 도면은 광주파수 빗이 10 nm 간섭 필터를 통과한 후의 파워 스펙트럼을 보여주고 있다.
도4a는 증폭된 광주파수 빗을 100 m 편광유지 광섬유를 통하여 원거리로 전송하기 전(사각형)과 후(삼각형)에 측정한 반복률 주파수의 안정도를 나타내는 알란(Allan) 편차이다.
도4b는 원거리에 위치하고 세슘 원자의 D2 전이선 중 F=4→F’5에 주파수 안정화된 반도체 레이저의 광주파수를 증폭된 광빗을 전송하여 원격 측정한 결과로서 측정된 결과의 평균값은 f ave = 351 721 960 525.5±2.8 KHz이고, 이 결과는 세슘 원자 빔에서 측정한 결과에 비해 약 60 KHz의 차이를 보이고 있다.
- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 세슘 원자시계나 수소 메이저 또는 광시계
2, 12 : 펨토초 모드 동기 레이저 3, 16 : 편광유지 광섬유
11 : 수소 메이저 13 : 옵티컵 아이솔레이터
14 : 무반사 코팅된 반도체 레이저 15 : 콘트롤러
17 : 외부공진기 반도체레이저 18 : 저잡음 분주장치
19, 20 : 주파수 계수기
21 : DDS(direct digital synthesizer)
HP1, HP2 : 반파장 편광판 IF : 간섭필터
BS1, BS2 : 빔 분리기 PD1, PD2 : 고속 검출기
M : 반사경
본 발명은 무반사 코팅된 반도체 레이저(antireflection-coated laser diode)와 같은 반도체 증폭기를 이용하여 기준주파수에 위상 안정화된 광주파수 빗 중 원하는 특정 부분의 광주파수 빗을 위상 결맞음을 그대로 유지한 상태로 증폭한 후 광섬유 망을 통하여 원거리 전송할 경우 선택적으로 증폭되어 전송된 광주파수 빗은 원거리에 위치한 원격지에서 절대 광주파수 측정 혹은 마이크로파 기준 주파수 그리고 광주파수 표준으로 사용될 수 있도록 하는 선택적으로 증폭된 광빗을 이용한 마이크로파 기준주파수와 광주파수 표준주파수를 동시에 전송하는 방법에 관한 것이다.
최근에 높은 안정도와 정확도를 갖는 광원자시계를 기반으로 하는 위상 안정화된 광주파수 빗의 발달로 인하여 높은 안정도와 정확도를 유지하면서 동시에 광주파수 표준주파수와 마이크로파 기준주파수를 원거리에 위치한 임의의 장소로 전송할 필요성이 대두되고 있다.
이와 관련하여 모드 동기된 광섬유 레이저 또는 진폭 변조된 반도체 레이저를 이용하여 마이크로파 기준주파수와 저잡음 시간신호(ultralow-jitter timing signal)를 전송하는 기술이 연구되고, 모드 동기된 반도체 레이저 또는 주파수 안정화된 CW 1.06 mm Nd:YAG 레이저를 광섬유망을 통하여 광신호를 전송하는 기술이 연구되고 있다.
또한 실험실 내에서 주파수 안정화된 광주파수 빗 또는 증폭된 광주파수 빗을 이용한 고분해 분광실험이 이루어지고 있다. 이와 같은 높은 안정도를 갖는 마이크로파 기준주파수와 광주파수 표준주파수의 원거리 전송은 마이크로파 영역과 광주파수 영역에서 정확한 주파수 측정에 의존하는 광주파수 측정분야 및 고분해 분광분야에 새로운 방법은 제시하고 있다.
지금까지의 연구 개발에서는 광통신 영역에서 진폭 변조된 반도체 레이저 또는 주파수 안정화된 CW 레이저를 이용한 마이크로파 기준신호 혹은 광신호를 각각 전송하는 기술이 연구 개발되고 있으나, 위상 안정화된 광주파수 빗의 신호를 원거리로 전송하는 기술의 연구 개발에 대해서는 보고되지 않고 있다.
상기한 바와 같은 연구 개발을 계속하기 위한 본 발명은 펨토초 모드 동기 레이저로부터 얻어진 광주파수 빗을 선택적으로 증폭하여 광섬유망을 통해 원거리 전송함으로써 원격지에서도 물리상수 측정이나 고분해 분광학, 절대 거리 측정, 광통신 분야 등에 광범위하게 응용될 수 있는 높은 안정도를 갖는 마이크로파 기준주파수와 광주파수 표준주파수를 얻을 수 있도록 하는 데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 선택적으로 증폭된 광빗을 이용한 마이크로파 기준주파수와 광주파수 표준주파수를 동시에 전송하는 방법은, 위상 안정화된 펨토초 모드 동기 레이저로부터 광주파수 빗의 일부를 좁은 간섭필터에 의해 선택하는 제1단계; 상기 간섭필터에 의해 선택된 광주파수 빗의 일부를 반도체 증폭기를 이용하여 위상 결맺음을 유지하면서 증폭하는 제2단계; 및 상기 반도체 증폭기에 의해 증폭된 광주파수 빗을 광주파수의 표준주파수와 마이크로파의 기준주파수로 사용하기 위해 광섬유망을 통해 원거리 전송하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 간섭필터에 의해 선택된 광주파수 빗의 일부는 가시광을 포함한 적외선까지 반도체 레이저가 존재하는 파장의 광주파수 빗으로 한다.
상기 간섭필터는 투과 폭이 1.5 nm인 간섭 필터와 투과 폭이 10 nm인 간섭 필터로 이루어질 수 있다.
상기 선택된 광주파수 빗이 반도체 증폭기에 주입되도록 하기 위해 편광기가 포함된 옵티컬 아이솔레이터(optical isolator)가 사용될 수 있다.
상기 입사되는 편광을 반도체 증폭기와 일치시키기 위해 반파장 편광판(half-wave plate)이 이용될 수 있다.
상기 반도체 증폭기는, 무반사 코팅된 반도체 레이저(antireflection-coated laser diode)가 사용될 수 있다.
또한 본 발명에 의한 선택적으로 증폭된 광빗을 이용한 마이크로파 기준주파 수와 광주파수 표준주파수를 동시에 전송하는 방법은, 위상 안정화된 광섬유 펨토초 모드 동기 레이저로부터 광주파수 빗의 일부를 좁은 광섬유 간섭필터에 의해 선택하는 제1단계; 상기 광섬유 간섭필터에 의해 선택된 광주파수 빗의 일부를 광섬유 증폭기를 이용하여 위상 결맺음을 유지하면서 증폭하는 제2단계; 및 상기 광섬유 증폭기에 의해 증폭된 광주파수 빗을 광주파수의 표준주파수와 마이크로파의 기준주파수로 사용하기 위해 광섬유망을 통해 원거리 전송하는 제3단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 광섬유 간섭필터에 의해 선택된 광주파수 빗의 일부는 가시광을 포함한 적외선까지 반도체 레이저가 존재하는 파장의 광주파수 빗으로 한다.
상기 광섬유 간섭필터는 투과 폭이 1.5 nm인 광섬유 간섭 필터와 투과 폭이 10 nm인 광섬유 간섭 필터로 이루어질 수 있다.
상기 선택된 광주파수 빗이 광섬유 증폭기에 주입되도록 하기 위해 편광기가 포함된 광섬유 페러데이 로테이터(Faraday rotatar)가 사용될 수 있다.
상기 입사되는 편광을 광섬유 증폭기와 일치시키기 위해 광섬유 반파장 편광판(half-wave plate)이 이용될 수 있다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명은 근적외선 영역에서 마이크로파 기준주파수와 광주파수 표준주파수를 동시에 전송하기 위한 방법에 관한 것으로서 도1에 도시한 바와 같이 기준주파수원인 세슘 원자시계 또는 수소 메이저나 광시계(1)에 위상 안정화된 광주파수 빗을 증폭하여 직접 원거리의 원격지로 전송함으로써 위상 안정화된 광주파수 빗의 특정 부분을 선택 증폭하여 원거리에 위치한 여러 곳으로 동시에 전송할 수 있다. 따라서 원격지에서는 안정도가 매우 높은 광주파수 빗으로부터 얻어진 마이크로파 기준 주파수와 광주파수 표준주파수를 고분해 분광이나 다파장 간섭계, 광통신용 기준주파수 등과 같은 실험에 매우 유용하게 사용할 수 있다.
상기한 방법에서 광섬유망을 이용한 마이크로파 기준주파수와 광주파수 표준주파수를 동시에 전송하기 위하여 간섭필터(IF)에 의해 근적외선 부분에서 선택된 좁은 영역의 광주파수 빗을 반도체 증폭기(이하에서는 반도체 증폭기의 하나인 무반사 코팅된(antireflection coated) 반도체 레이저(LD)를 예로 설명한다.)를 이용하여 증폭한다. 그리고 실제 실험에 응용하기 위하여 세슘 원자의 D2 전이선에 해당하는 852 nm 대역의 광주파수 빗을 무반사 코팅된 반도체 레이저(LD)로 증폭한 후 같은 건물에 위치하고 있는 100 m 떨어진 다른 실험실로 편광유지 광섬유(3)망을 통하여 전송하고, 100 m 떨어진 실험실에 있는 세슘 원자의 D2 전이선에 주파수 안정화된 레이저의 절대 주파수를 측정한다.
도2는 근적외선 근처에서 선택된 광주파수 빗의 증폭과 증폭된 광주파수 빗을 원거리 전송하기 위한 구성도이다.
지배("주") 레이저로 사용되는 펨토초 모드 동기 레이저(12)는 반복률 주파수가 1 GHz이고, 약 35 fs의 선폭을 가지며, 레이저 출력의 중심 파장은 약 820 nm이며, 스펙트럼 선폭은 약 50 nm이다. 펨토초 모드 동기 레이저(12)의 반복률 주파수(f rep)와 캐리어-엔벨로프 옵셋(carrier-envelope offset) 주파수(f ceo)는 기준주파 수인 수소 메이저(H-maser)(11)에 위상 안정화되어 있다.
도1에서 알 수 있듯이 광주파수 빗의 반복률 주파수(f rep)와 캐리어-엔벨로프 옵셋 주파수(f ceo)는 높은 안정도를 갖는 새로운 광 원자시계에 위상 안정화될 수 있다. 좁은 간섭 필터(IF)에 의해 선택된 근적외선 영역의 광주파수 빗은 종속 레이저로 사용된 무반사 코팅된 반도체 레이저(14)로 입사하게 된다. 사용된 무반사 코팅된 반도체 레이저(14)는 이득 영역이 약 810 nm에서 880 nm이고, 전류가 약 120 mA일 때 무반사 코팅된 반도체 레이저(14)의 자발방출 출력 파워는 약 3.5 mW이다.
그리고 간섭 필터(IF)는 중심 대역이 약 850 nm이며, 3 dB 투과 폭은 약 10 nm이다. 이 간섭 필터(IF)의 투과 파장은 세슘 원자의 D2 전이선의 파장을 포함한다. 간섭 필터(IF)를 투과한 광주파수 빗의 파워는 약 1 mW로 측정되고, 이것은 1 GHz 모드 간격을 갖는 약 4000 개의 모드에 해당한다. 광주파수 빗과 무반사 코팅된 반도체 레이저(14) 사이의 모드 정합(mode matching)을 통한 결합 효율(coupling efficiency)을 높이기 위하여 두 개의 실린더 렌즈(cylinder lens)를 사용한다. 선택된 광주파수 빗이 무반사 코팅된 반도체 레이저(14)에 주입되도록 하기 위하여 편광기가 포함된 옵티컬 아이솔레이터(optical isolator)(13)를 사용하고, 입사되는 편광을 무반사 코팅된 반도체 레이저(14)와 일치시키기 위하여 반파장 편광판(half-wave plate)(HP1)(HP2)을 이용한다.
주입 광의 대역폭과 무반사 코팅된 반도체 레이저(14)의 증폭 이득 사이의 상관관계는 투과 폭이 원하는 대역폭 즉, 1.5 nm와 10 nm를 갖는 간섭 필터(IF)를 사용하여 증폭률을 비교 조사함으로써 알 수 있다.
두 개의 간섭필터(IF)를 사용한 실험결과는 도3a과 같다. 무반사 코팅된 반도체 레이저(14)에 강하고 짧은 펄스가 입력될 때 증폭 이득의 한계는 반도체 내의 정공과 홀의 결합시간이 수백 피코초로 입력 펄스 시간에 비해 길다는 사실에 기인한다. 간섭필터(IF)를 통과하기 전의 광주파수 빗의 펄스 폭은 약 35 fs이고, 스펙트럼 폭은 약 50 nm이고, 1.5 nm와 10 nm의 간섭필터(IF)를 통과한 광주파수 빗의 펄스 폭은 약 1 ps 와 100 fs 이다. 즉, 간섭필터(IF)를 통과한 펄스 폭은 무반사 코팅된 반도체 레이저(14)의 결합시간보다 모두 짧았지만 펄스 폭에 대한 증폭 이득의 변화를 관찰할 수 있다.
측정결과를 보여 주고 있는 도3a에서와 같이 좌측에 아랫부분은 무반사 코팅된 반도체 레이저(14)의 전류를 120 mA로 고정한 후 광주파수 빗 주입 파워를 변화시키면서 측정한 결과이고, 좌측에 위쪽 부분은 광주파수 빗 주입 파워를 1 mW로 고정한 후 무반사 코팅된 반도체 레이저(14)의 전류를 변화시키면서 관찰한 결과이다.
도3a에서 알 수 있듯이 1.5 nm의 간섭필터(IF)를 통과한 광주파수 빗에 의한 증폭 이득이 10 nm의 간섭필터(IF)를 통과한 광주파수 빗에 의한 증폭 이득보다 약 1 dB정도 크다. 하지만 두 경우 모두 약 10 dB 근처에서 증폭이득이 포화된다. 이와 유사한 특징은 테이퍼드(tapered) 증폭기 그리고 단일 모드 레이저에 의한 광주파수 빗의 증폭에서도 알 수 있다.
도3b는 무반사 코팅된 반도체 레이저(14)에 의한 광주파수 빗 증폭 스펙트럼이다. 이때의 무반사 코팅된 반도체 레이저(14)의 전류는 약 120 mA이고, 10 nm의 간섭필터(IF)를 통과한 1 mW의 광주파수 빗 파워가 주입 파워로 사용된다. 1.5 nm와 10 nm의 두 개의 간섭필터(IF)를 통과를 하여 무반사 코팅된 반도체 레이저(14)에 주입되는 광주파수 빗의 파워가 1 mW일 때 레이저의 출력은 각각 9.1 mW와 10.7 mW이다. 이 증폭된 파워는 각각 광주파수 빗 모드 당 약 2.3 mW와 17.8 mW에 해당한다. 이 증폭률을 DBR(distributed-Bragg-reflection)레이저를 이용한 단일모드 증폭으로 약 60 dB를 증폭할 수 있는 방법과 비교하면 증폭률 면에서는 상대적으로 떨어진다.
하지만 단일 모드를 증폭하는 방법의 가장 큰 문제점인 주입 잠금폭 문제를 무반사 코팅된 반도체 레이저(14)를 이용한 방법에서는 전혀 고려할 필요가 없기 때문에 장기적인 안정도 측정에서 매우 유리하며, 다중 모드로 증폭할 수 있기 때문에 광주파수 빗의 마이크로파 기준신호와 광주파수 표준주파수를 동시에 원거리로 전송할 수 있다.
도3b에서 밑부분의 사각형은 무반사 코팅된 반도체 레이저(14) 자체의 자발방출 출력이고, 동그라미는 10 nm 간섭필터(IF)를 통과한 광주파수 빗이 무반사 코팅된 반도체 레이저(14)에 주입된 후 증폭된 신호이다. 그리고 삽입된 그림은 10 nm 간섭필터(IF)를 통과한 광주파수 빗의 스펙트럼을 보여주고 있다. 도3b에서 알 수 있듯이 간섭 필터(IF)에 의하여 선택된 광주파수 빗 스펙트럼이 유일하게 무반사 코팅된 반도체 레이저(14)에 의하여 증폭됨을 확인할 수 있다.
다중 모드로 증폭된 광주파수 빗은 기준 주파수에 모두 안정화된 상태이므로 각각의 모드를 하나의 레이저로 생각할 경우 증폭된 약 4000 개의 안정된 레이저가 되는 것이다. 또한 광주파수 모드들 사이의 RF 신호는 기준 주파수의 안정도를 그대로 유지하고 있기 때문에 원거리 전송시 원격지에서 세슘 원자시계의 안정도를 갖는 기준 주파수를 사용할 수 있다. 무반사 코팅된 반도체 레이저(14)에 의하여 증폭된 광주파수 빗의 RF 신호와 광신호를 원거리 전송하기 위하여 100 m 길이의 편광유지 광섬유(16)(Polarzation-Maintaining optical fiber)를 사용한다. 그리고 증폭시스템에서 약 100 m떨어져 있고, 세슘 원자의 D2 전이선 중 F=4 → F'=5 전이선에 안정화된 레이저가 있는 곳으로 전송한다.
이때 편광 유지 광섬유(16)에 입사되는 파워는 약 5 mW이고, 결합 효율은 약 50 %이다. 그리고 전송된 곳에서의 파워는 약 2 mW로 전송 손실은 약 20 %이고. 이 손실의 주원인은 레일리 산란(Rayleigh 散亂)에 의한다. 이러한 손실은 최소화하기 위해서 광통신 영역의 광주파수 빗을 사용할 경우 적은 광손실을 이용하여 보다 먼 거리로 안정화된 광주파수 빗을 전송할 수 있다.
본 발명에서는 원거리 전송된 광주파수 빗은 얇은 빔 분리기(BS1)에 의하여 두 부분으로 나누어진다. 이 중 반사된 광주파수 빗은 고속 검출기(PD1)를 통하여 광주파수 빗의 반복률 주파수를 측정하는데 사용된다. 그리고 측정된 반복률 주파수는 기준 마이크로파 신호로 사용된다. 고속 검출기(PD1)에 의해 측정된 광주파수 빗의 반복률 주파수는 약 300 kHz 분해능을 가지고 신호대 잡음비가 60 dB이상이다. 이 신호는 저잡음 분주 장치(18)에 의하여 약 1/16로 분주된 후 상용 DDS(direct digital synthesizer)(21)에 입사되어 10 MHz로 변환된다.
빔 분리기(BS2)에서 투과된 광주파수 빗은 세슘 원자의 전이선에 주파수 안정화된 외부 공진기 반도체 레이저(external cavity laser diode)(17)의 절대 주파수 측정에 사용된다. 증폭 전송된 광주파수 빗과 외부 공진기 반도체 레이저(17) 사이의 맥놀이 신호는 고속 검출기(PD2)에 의하여 검출되고, 저대역 통과필터 그리고 저잡음 RF 증폭기에 의하여 증폭된다. 이 신호는 도2에서 보듯이 DDS(21)에 의해 출력된 기준주파수인 10 MHz에 위상 동기된 주파수 계수기(frequency counter)(19)에 의하여 측정된다. 그리고 측정의 정확도를 확인하기 위하여 기준 주파수인 수소 메이저(11)에 주파수 계수기(19)(20)는 위상 동기 된다.
도4는 10 nm 간섭필터(IF)를 통과한 광주파수 빗을 증폭한 후 편광유지 광섬유(16)를 통하여 원거리 전송하기 전후의 안정도를 측정한 결과로서 측정에 사용된 주파수 계수기(20)의 기준 주파수는 수소 메이저(11)를 사용한다.
이 수소 메이저(11)는 한국 표준과학 연구원의 UTC와 시각 비교되고 있으며 RF 동축 케이블(coaxial cable)로 연결되어 있다. 이때의 RF 동축 케이블에 의한 기준 신호의 전송 안정도는 평균시간 1초에서 약 5×10- 14 이다. 실제 증폭된 광주파수 빗을 이용한 절대 주파수 측정에서는 기준주파수를 광주파수 빗에서 추출된 10 MHz를 사용한다. 증폭된 광주파수 빗의 반복률 추적 능력도(trace capability)는 100초의 평균시간에서 약 2×10-15이고, 편광 유지광섬유(16)에 의하여 원거리 전송된 광주파수 빗의 반복률 추적 능력도는 100초의 평균시간에서 약 1.7×10-14이 다. 이와 같이 안정도가 저해된 이유는 설치된 광섬유의 경로 상에서 발생된 그룹 지연(group delay), 진동 그리고 온도 변화 등에 의한 요인으로 생각된다.
본 발명에서는 절대주파수 측정되는 세슘 원자 전이선의 안정도가 광전송에 의한 안정도 흔들림보다 크기 때문에 광신호 전송시 발생하는 위상 잡음을 제거하는 작업을 하지 않는다.
원격 광주파수 측정에 사용된 외부 공진기 반도체 레이저(17)는 세슘 원자의 D2전이선 중 F=4→F'=5 전이선에 MTS(modulation transfer spectroscopy)방법으로 주파수 안정화되어 있다. 증폭된 광주파수 빗과 주파수 안정화된 외부 공진기 다이오드 레이저(17) 사이의 맥놀이 신호(f beat)는 300 kHz 분해능을 가지고 측정하였을 때 신호대 잡음 비가 약 35 dB 이상이다. 측정된 맥놀이 신호를 이용한 세슘 원자의 D2전이선 중 F=4→ F' =5 전이선의 절대 주파수는 f ECDL = n×f rep±f ceo±f beat의 관계식을 갖는다.
여기서, n은 정수이며, 앞서 측정된 결과를 바탕으로 하여 n값을 결정한다.
각 측정 데이터 포인트는 평균 500 개의 측정 데이터를 평균한 값이며 통계 불확실성(statistical uncertainty)는 2.5 kHz보다 작게 측정된다. 그리고 전체 평균 분산 값은 약 2.8 kHz 이고, 이값은 상대 표준 불확도(relative standard deviation) 9.3×10-12에 해당하는 것이다. 그래서 전체 평균 주파수는 351 721 960 525.5±2.8 KHz로 측정되며 이 측정 결과는 기존의 측정결과와 비교할 때 약 60 kHz 낮은 결과이다.
앞선 실험에서는 세슘 원자 빔을 이용한 측정이었지만 본 발명은 세슘 원자 셀을 이용한 측정이었기 때문에 제만 편이(Zeeman shift), 압력 편이(pressure shift), AC 스타크 편이(Stark shift) 등에 의한 계통적(systematic) 주파수 편이가 본 실험에서는 포함되어 세슘 원자 빔을 이용한 실험결과와 수십 KHz의 차이가 보인다. 또한 본 발명에서 사용된 증폭된 광주파수 빗의 전송 전후의 안정도, 기준 주파수의 안정도, 안정화 시스템의 안정도 등을 모두 고려할 때 원거리에서의 주파수 불안정도는 500 Hz보다 작다.
더 나아가서 본 발명은 위와 같은 실시예에 한정되지 않고 모든 과정들이 자유공간(free space)에서 이루어지기 때문에 반도체 증폭기나 펨토초 모드 동기 레이저, 옵티컬 아이솔레이터, 간섭필터, 반파장 편광판 등과 같은 구성요소를 대신하여 광섬유가 부착된 부품들로 구성할 수도 있다.
따라서 본 발명에 의하면, 위상 안정화된 1 GHz 펨토초 모드 동기 레이저 광주파수 빗의 근적외선 부분을 선택하여 무반사 코팅된 반도체 레이저와 같은 반도체 증폭기를 이용하여 증폭하고, 광섬유 망을 이용하여 원거리 전송함으로써 원격지에서도 세슘 원자의 D2전이선 중 F=4→F'=5 전이선의 절대주파수를 측정에 이용할 수 있는 광주파수 빗을 얻을 수 있다.
즉, 본 발명은 광주파수 빗의 다중 선택 및 증폭 방법으로 마이크로파 신호와 광신호를 원거리로 동시에 전송할 경우 높은 안정도를 갖는 마이크로파 기준주파수와 광주파수 표준주파수가 물리상수 측정이나 고분해 분광학, 절대 거리 측정, 광통신 분야 등에 광범위하게 응용될 수 있다.

Claims (11)

  1. 위상 안정화된 펨토초 모드 동기 레이저로부터 광주파수 빗의 일부를 좁은 간섭필터에 의해 선택하는 제1단계;
    상기 간섭필터에 의해 선택된 광주파수 빗의 일부를 반도체 증폭기를 이용하여 위상 결맺음을 유지하면서 증폭하는 제2단계; 및
    상기 반도체 증폭기에 의해 증폭된 광주파수 빗을 광주파수의 표준주파수와 마이크로파의 기준주파수로 사용하기 위해 광섬유망을 통해 원거리 전송하는 제3단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적으로 증폭된 광빗을 이용한 마이크로파 기준주파수와 광주파수 표준주파수를 동시에 전송하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 간섭필터에 의해 선택된 광주파수 빗의 일부는 가시광을 포함한 적외선까지 반도체 레이저가 존재하는 파장의 광주파수 빗인 것을 특징으로 하는 선택적으로 증폭된 광빗을 이용한 마이크로파 기준주파수와 광주파수 표준주파수를 동시에 전송하는 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 간섭필터는 투과 폭이 1.5 nm인 간섭 필터와 투과 폭이 10 nm인 간섭 필터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 선택적으로 증폭된 광빗을 이용한 마이크로파 기준주파수와 광주파수 표준주파수를 동시에 전송하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 선택된 광주파수 빗이 반도체 증폭기에 주입되도록 하기 위해 편광기가 포함된 옵티컬 아이솔레이터(optical isolator)가 사용되는 것을 특징으로 하는 선택적으로 증폭된 광빗을 이용한 마이크로파 기준주파수와 광주파수 표준주파수를 동시에 전송하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 입사되는 편광을 반도체 증폭기와 일치시키기 위해 반파장 편광판(half-wave plate)이 이용되는 것을 특징으로 하는 선택적으로 증폭된 광빗을 이용한 마이크로파 기준주파수와 광주파수 표준주파수를 동시에 전송하는 방법.
  6. 제1항이나 제4항 또는 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반도체 증폭기는, 무반사 코팅된 반도체 레이저(antireflection-coated laser diode)인 것을 특징으로 하는 선택적으로 증폭된 광빗을 이용한 마이크로파 기준주파수와 광주파수 표준주파수를 동시에 전송하는 방법.
  7. 위상 안정화된 광섬유 펨토초 모드 동기 레이저로부터 광주파수 빗의 일부를 좁은 광섬유 간섭필터에 의해 선택하는 제1단계;
    상기 광섬유 간섭필터에 의해 선택된 광주파수 빗의 일부를 광섬유 증폭기를 이용하여 위상 결맺음을 유지하면서 증폭하는 제2단계; 및
    상기 광섬유 증폭기에 의해 증폭된 광주파수 빗을 광주파수의 표준주파수와 마이크로파의 기준주파수로 사용하기 위해 광섬유망을 통해 원거리 전송하는 제3단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 선택적으로 증폭된 광빗을 이용한 마이크로파 기준주파수와 광주파수 표준주파수를 동시에 전송하는 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 광섬유 간섭필터에 의해 선택된 광주파수 빗의 일부는 가시광을 포함한 적외선까지 반도체 레이저가 존재하는 파장의 광주파수 빗인 것을 특징으로 하는 선택적으로 증폭된 광빗을 이용한 마이크로파 기준주파수와 광주파수 표준주파수를 동시에 전송하는 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 광섬유 간섭필터는 투과 폭이 1.5 nm인 광섬유 간섭 필터와 투과 폭이 10 nm인 광섬유 간섭 필터로 이루어지는 것을 특징으로 하는 선택적으로 증폭된 광빗을 이용한 마이크로파 기준주파수와 광주파수 표준주파수를 동시에 전송하는 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 선택된 광주파수 빗이 광섬유 증폭기에 주입되도록 하기 위해 편광기가 포함된 광섬유 페러데이 로테이터(Faraday rotatar)가 사용되는 것을 특징으로 하는 선택적으로 증폭된 광빗을 이용한 마이크로파 기준주파수와 광주파수 표준주파수를 동시에 전송하는 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 입사되는 편광을 광섬유 증폭기와 일치시키기 위해 광섬유 반파장 편광판(half-wave plate)이 이용되는 것을 특징으로 하는 선택적으로 증폭된 광빗을 이용한 마이크로파 기준주파수와 광주파수 표준주파수를 동시에 전송하는 방법.
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