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한국광학회지

Frequency stabilization of 1.5μm laser diode by using double resonance optical pumping

Han-Sub Lee Moon

Published Jun 1, 2004• 0 citations
Publisher

Abstract

우리는 이중공명 광펌핑(double resonance optical pumping; DROP)효과를 이용하여 루비듐( $^{87}$ Rb) 원자의 5P $_{3}$ 2/-4D $_{3}$ 2/와 5P $_{3}$ 2/-4D $_{5}$ 2/ 전이선에서 DROP 스펙트럼을 관측하고, 1.5 $\mu\textrm{m}$ 레이저의 주파수를 무변조 안정화하였다. 관측한 DROP 스펙트럼은 기존의 광-광이중공명(optical-optical double resonance; OODR) 스펙트럼보다 높은 신호대잡음비를 가지며, 약 10 MHz의 좁은 선폭을 갖고 있다. DROP 스펙트럼의 상대적인 세기는 자발방출에 의한 광펌핑 정도로 설명할 수 있었다. DROP스펙트럼에 안정화된 1.5 $\mu\textrm{m}$ 레이저의 주파수 흔들림은 샘플링 시간 0.1초에서 0.2 MHz로 측정되었고, 상대주파수 흔들림은 평균시간 100초에서 약 1 ${\times}$ $10^{-11}$ 이었다. We present the double resonance optical pumping(DROP) spectra in the transition 5P $_{3}$ 2/-4D $_{3}$ 2/ and 5P $_{3}$ 2/-4D $_{5}$ 2/ of ( $^{87}$ Rb) and the frequency stabilization in the $1.5mutextrm{m}$ region using those spectra. Those spectra have high signal-to-noise ratio and narrow spectral linewidth, which is about 10 MHz. We could account fur the relative intensities of the hyperfine states of those spectra by the spontaneous emission into the other state. When the frequency of the $1.5mutextrm{m}$ laser diode was stabilized to the DROP spectrum, the frequency fluctuation was about 0.2 MHz fDr sampling time of 0.1 s and the Allan deviation(or the square root of the Allan variance) was about 1 ${\times}$ 10 $^{-11}$ for averaging time of l00s.

DOI
10.3807/kjop.2004.15.3.193

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이중공명 광펌핑을 이용한 1.5 ㎛ 반도체 레이저 주파수 안정화

문한섭, 이원규, 이림 +1 more

우리는 이중공명 광펌핑(double resonance optical pumping; DROP)효과를 이용하여 루비듐((87)^Rb) 원자의 5P_(3/2)-4D_(3/2)와 5P_(3/2)-4D_(5/2) 전이선에서 DROP 스펙트럼을 관측하고, 1.5 ㎛ 레이저의 주파수를 무변조 안정화하였다. 관측한 DROP 스펙트럼은 기존의 광-광 이중공명(optical-optical double resonance; OODR) 스펙트럼보다 높은 신호대잡음비를 가지며, 약 10 ㎒의 좁은 선폭을 갖고 있다. DROP 스펙트럼의 상대적인 세기는 자발방출에 의한 광펌핑 정도로 설명할 수 있었다. DROP스펙트럼에 안정화된 1.5 ㎛ 레이저의 주파수 흔들림은 샘플링 시간 0.1초에서 0.2 ㎒로 측정되었고, 상대주파수 흔들림은 평균시간 100초에서 약 1×10-¹¹이었다.

한국광학회지•Jun 1, 2004•0 citations

Bouble Resonance Optical Pumping in the Transition 5S1/2-5P3/2-4D3/2, 5/2of Rb Atoms

Han Seb Moon

우리는 $^{87}Rb$ 원자의 $5S_{1/2}-5P_{3/2}-4D_{3/2,\;5/2}$ 전이선을 이용하여 레이저의 세기, 편광조합, 그리고 정렬상태에 따른 이중공명광펌핑(double resonance optical pumping; DROP) 스펙트럼을 조사하였다. $5P_{3/2}-4D_{5/2}$ 전이선에서 레이저의 세기에 따른 초미세 구조간의 DROP 신호의 변화가 크게 나타났고, 그 원인은 순환전이선의 낮은 광펌핑 효율 때문이었다. 두 레이저의 편광조합을 달리 했을 때 이중공명의 전이율이 변하고, 이러한 효과가DROP스펙트럼의 변화로 나타났다. 또한 두 레이저가 같은 방향으로 진행하는 경우와 반대 방향으로 진행하는 경우를 비교했을 때, 스펙트럼의 선폭은 각각 12.2 MHz 와 6.9 MHz로 측정되었다. We present the double resonance optical pumping(DROP) spectra according to the laser power, the polarization combination of lasers, and the alignment of lasers in the transition $5P_{3/2}-4D_{5/2}\;and\;5P_{3/2}-4D_{5/2}$ of $^{87}Rb.$ We observed obviously changing DROP spectrum according to the laser power in the transition $5P_{3/2}-4D_{5/2}$ involved the cycling transition. The laser power effects are attributed to the low optical-pumping-effect in the cycling transition. We observed changing DROP spectrum depending on the polarizations of the lasers. The laser polarization effects are attributed to the changing transition probability according to the polarizations of lasers. We compared the co-propagation with the counter-propagation and the spectral linewidths were 12.2 MHz and 6.9 MHz, respectively.

한국광학회지•Aug 1, 2005•0 citations

루비듐 5S1/2-5P3/2-4D3/2,5/2 전이선에서의 이중공명 광펌핑 분광

문한섭, 이림, 김중복

우리는 (87)^Rb 원자의 5S½-5P_(3/2)-4D_(3/2)와 4D_(5/2) 전이선을 이용하여 레이저의 세기, 편광조합, 그리고 정렬상태에 따른 이중공명광펌핑(double resonance optical pumping; DROP) 스펙트럼을 조사하였다. 5P_(3/2)-4D_(5/2) 전이선에서 레이저의 세기에 따른 초미세 구조간의 DROP 신호의 변화가 크게 나타났고, 그 원인은 순환전이선의 낮은 광펌핑 효율 때문이었다. 두 레이저의 편광조합을 달리 했을 때 이중공명의 전이율이 변하고, 이러한 효과가 DROP 스펙트럼의 변화로 나타났다. 또한 두 레이저가 같은 방향으로 진행하는 경우와 반대 방향으로 진행하는 경우를 비교했을 때, 스펙트럼의 선폭은 각각 12.2 ㎒와 6.9 ㎒로 측정되었다.

한국광학회지•Aug 1, 2005•0 citations

Single-photon Detection at 1.5 ㎛ Telecommunication Wavelengths Using a Frequency up-conversion Detector

Heonoh Kim, Chun Ju Youn, Seok-Beom Cho +1 more

1.5 ${\mu}m$ 통신파장 대역 단일광자의 효율적인 측정을 위해서 PPLN WG(periodically poled $LiNbO_3$ waveguide)에서 준위상정합을 이용한 합주파수 생성에 의한 주파수 상향변환 검출기를 구성하고 검출 효율, 잡음 계수 및 타이밍 지터를 측정하였다. 974 nm에서 발진하는 펌프광의 세기가 300 mW일 때 최대 검출효율이 약 7%, 잡음 계수율은 약 480 kHz로 측정되었다. 피코초펄스 레이저를 이용한 자발적 매개하향변환에서 발생한 펄스형 단일광자 신호를 이용하여 측정된 주파수 상향변환 검출기의 최소 타이밍 지터는 약 39.1 ps였다. 또한 아주 좁은 동시계수 시간 폭으로 펄스형의 주파수 상향변환된 단일광자를 측정하면 잡음의 효과를 최소화할 수 있고, 신호대 잡음비의 특성을 최대로 높일 수 있다. We present a low jitter frequency up-conversion detector based on quasi-phase matched sum frequency generation in a periodically poled $LiNbO_3$ waveguide for efficient single-photon detection at 1.5 ${\mu}m$ telecommunication wavelengths. The maximum detection efficiency and the noise count rate using the pump power of 300 mW and the pump wavelength of 974 nm are about 7% and 480 kHz, respectively. We also characterize the timing jitter of the frequency up-conversion detector by analyzing the time distribution of the detection outputs for photons generated through a picosecond pump pulsed spontaneous parametric downconversion. The minimum timing jitter was measured to be about 39.1 ps. Coincidence measurement with a narrow time window for pulsed up-conversion photons can eliminate the unwanted noise counts and maximize signal to noise ratio.

한국광학회지•Oct 25, 2011•0 citations

주파수 상향변환 검출기를 이용한 1.5 μm 통신파장대역의 단일광자 측정

김헌오, 윤천주, 조석범 +1 more

1.5 μm 통신파장 대역 단일광자의 효율적인 측정을 위해서 PPLN WG(periodically poled LiNbO₃ waveguide)에서 준위상정합을 이용한 합주파수 생성에 의한 주파수 상향변환 검출기를 구성하고 검출 효율, 잡음 계수 및 타이밍 지터를 측정하였다. 974 nm에서 발진하는 펌프광의 세기가 300 mW일 때 최대 검출효율이 약 7%, 잡음 계수율은 약 480 kHz로 측정되었다. 피코초펄스 레이저를 이용한 자발적 매개하향변환에서 발생한 펄스형 단일광자 신호를 이용하여 측정된 주파수 상향변환 검출기의 최소 타이밍 지터는 약 39.1 ps였다. 또한 아주 좁은 동시계수 시간 폭으로 펄스형의 주파수 상향변환된 단일광자를 측정하면 잡음의 효과를 최소화할 수 있고, 신호대 잡음비의 특성을 최대로 높일 수 있다.

한국광학회지•Oct 1, 2011•0 citations

Nonlinear Magneto-optic Effect in the Paraffin Coated Rb Vapor Cell

Hyun Joon Lee, Ye-Jin Yu, In‐Ho Bae +1 more

본 연구에서는 파라핀이 코팅된 Rb원자 증기 셀을 이용하여 $^{87}Rb$ $D_1$ 전이선의 Hanle스펙트럼과 비선형 광자기 효과 신호를 조사하였다. 파라핀 코팅 증기 셀의 효과에 의한 좁은 스펙트럼 폭을 가진 영역과 순수 증기 셀에서 얻을 수 있는 넓은 스펙트럼폭을 가진 이중구조의 Hanle 스펙트럼을 관측할 수 있었다. 스펙트럼에 나타난 이중구조에서 좁은 선폭 영역의 선폭은 1 kHz로 측정되었고, 스펙트럼 크기는 전체 스펙트럼에 대해서 10%로 측정되었다. 또한, Hanle 스펙트럼에 대응되는 이중 미분형태의 비선형 광자기 신호를 관측하였으며, 기울기가 급격하게 변하는 비선형 광자기 신호의 기울기는 레이저의 출력이 $200{\mu}W$ 일 때 대략 10 mV/ ${\mu}T$ 였다. In our study, the Hanle spectrum and nonlinear magneto-optic effect (NMOE) signals were observed as a function of magnetic field on $D_1$ line of $^{87}Rb$ atoms contained in a paraffin coated vapor cell. We observed the double structure from the Hanle and the NMOE spectrum in the paraffin coated Rb vapor cell. The narrow spectral width of the narrow resonance signal is approximately 1 kHz and the magnitude is approximately 10 percent of the total spectrum. Also, the NMOE signals corresponding to the Hanle configuration consisted of two different dispersion-like features. At the near zero magnetic field, a sharp slope signal was centered, and its value was 10 mV/ ${\mu}T$ with laser power was $200{\mu}W$ .

한국광학회지•Aug 25, 2009•0 citations
우리는 이중공명 광펌핑(double resonance optical pumping; DROP)효과를 이용하여 루비듐( 87^{87}87 Rb) 원자의 5P 3_{3}3​ 2/-4D 3_{3}3​ 2/와 5P 3_{3}3​ 2/-4D 5_{5}5​ 2/ 전이선에서 DROP 스펙트럼을 관측하고, 1.5 μm\mu\textrm{m}μm 레이저의 주파수를 무변조 안정화하였다. 관측한 DROP 스펙트럼은 기존의 광-광이중공명(optical-optical double resonance; OODR) 스펙트럼보다 높은 신호대잡음비를 가지며, 약 10 MHz의 좁은 선폭을 갖고 있다. DROP 스펙트럼의 상대적인 세기는 자발방출에 의한 광펌핑 정도로 설명할 수 있었다. DROP스펙트럼에 안정화된 1.5 μm\mu\textrm{m}μm 레이저의 주파수 흔들림은 샘플링 시간 0.1초에서 0.2 MHz로 측정되었고, 상대주파수 흔들림은 평균시간 100초에서 약 1 ×{\times}× 10−1110^{-11}10−11 이었다. We present the double resonance optical pumping(DROP) spectra in the transition 5P 3_{3}3​ 2/-4D 3_{3}3​ 2/ and 5P 3_{3}3​ 2/-4D 5_{5}5​ 2/ of ( 87^{87}87 Rb) and the frequency stabilization in the 1.5mutextrmm1.5mutextrm{m}1.5mutextrmm region using those spectra. Those spectra have high signal-to-noise ratio and narrow spectral linewidth, which is about 10 MHz. We could account fur the relative intensities of the hyperfine states of those spectra by the spontaneous emission into the other state. When the frequency of the 1.5mutextrmm1.5mutextrm{m}1.5mutextrmm laser diode was stabilized to the DROP spectrum, the frequency fluctuation was about 0.2 MHz fDr sampling time of 0.1 s and the Allan deviation(or the square root of the Allan variance) was about 1 ×{\times}× 10 −11^{-11}−11 for averaging time of l00s.
우리는 이중공명 광펌핑(double resonance optical pumping; DROP)효과를 이용하여 루비듐((87)^Rb) 원자의 5P_(3/2)-4D_(3/2)와 5P_(3/2)-4D_(5/2) 전이선에서 DROP 스펙트럼을 관측하고, 1.5 ㎛ 레이저의 주파수를 무변조 안정화하였다. 관측한 DROP 스펙트럼은 기존의 광-광 이중공명(optical-optical double resonance; OODR) 스펙트럼보다 높은 신호대잡음비를 가지며, 약 10 ㎒의 좁은 선폭을 갖고 있다. DROP 스펙트럼의 상대적인 세기는 자발방출에 의한 광펌핑 정도로 설명할 수 있었다. DROP스펙트럼에 안정화된 1.5 ㎛ 레이저의 주파수 흔들림은 샘플링 시간 0.1초에서 0.2 ㎒로 측정되었고, 상대주파수 흔들림은 평균시간 100초에서 약 1×10-¹¹이었다.
우리는 87Rb^{87}Rb87Rb 원자의 5S1/2−5P3/2−4D3/2,  5/25S_{1/2}-5P_{3/2}-4D_{3/2,\;5/2}5S1/2​−5P3/2​−4D3/2,5/2​ 전이선을 이용하여 레이저의 세기, 편광조합, 그리고 정렬상태에 따른 이중공명광펌핑(double resonance optical pumping; DROP) 스펙트럼을 조사하였다. 5P3/2−4D5/25P_{3/2}-4D_{5/2}5P3/2​−4D5/2​ 전이선에서 레이저의 세기에 따른 초미세 구조간의 DROP 신호의 변화가 크게 나타났고, 그 원인은 순환전이선의 낮은 광펌핑 효율 때문이었다. 두 레이저의 편광조합을 달리 했을 때 이중공명의 전이율이 변하고, 이러한 효과가DROP스펙트럼의 변화로 나타났다. 또한 두 레이저가 같은 방향으로 진행하는 경우와 반대 방향으로 진행하는 경우를 비교했을 때, 스펙트럼의 선폭은 각각 12.2 MHz 와 6.9 MHz로 측정되었다. We present the double resonance optical pumping(DROP) spectra according to the laser power, the polarization combination of lasers, and the alignment of lasers in the transition 5P3/2−4D5/2  and  5P3/2−4D5/25P_{3/2}-4D_{5/2}\;and\;5P_{3/2}-4D_{5/2}5P3/2​−4D5/2​and5P3/2​−4D5/2​ of 87Rb.^{87}Rb.87Rb. We observed obviously changing DROP spectrum according to the laser power in the transition 5P3/2−4D5/25P_{3/2}-4D_{5/2}5P3/2​−4D5/2​ involved the cycling transition. The laser power effects are attributed to the low optical-pumping-effect in the cycling transition. We observed changing DROP spectrum depending on the polarizations of the lasers. The laser polarization effects are attributed to the changing transition probability according to the polarizations of lasers. We compared the co-propagation with the counter-propagation and the spectral linewidths were 12.2 MHz and 6.9 MHz, respectively.
우리는 (87)^Rb 원자의 5S½-5P_(3/2)-4D_(3/2)와 4D_(5/2) 전이선을 이용하여 레이저의 세기, 편광조합, 그리고 정렬상태에 따른 이중공명광펌핑(double resonance optical pumping; DROP) 스펙트럼을 조사하였다. 5P_(3/2)-4D_(5/2) 전이선에서 레이저의 세기에 따른 초미세 구조간의 DROP 신호의 변화가 크게 나타났고, 그 원인은 순환전이선의 낮은 광펌핑 효율 때문이었다. 두 레이저의 편광조합을 달리 했을 때 이중공명의 전이율이 변하고, 이러한 효과가 DROP 스펙트럼의 변화로 나타났다. 또한 두 레이저가 같은 방향으로 진행하는 경우와 반대 방향으로 진행하는 경우를 비교했을 때, 스펙트럼의 선폭은 각각 12.2 ㎒와 6.9 ㎒로 측정되었다.
1.5 μm{\mu}mμm 통신파장 대역 단일광자의 효율적인 측정을 위해서 PPLN WG(periodically poled LiNbO3LiNbO_3LiNbO3​ waveguide)에서 준위상정합을 이용한 합주파수 생성에 의한 주파수 상향변환 검출기를 구성하고 검출 효율, 잡음 계수 및 타이밍 지터를 측정하였다. 974 nm에서 발진하는 펌프광의 세기가 300 mW일 때 최대 검출효율이 약 7%, 잡음 계수율은 약 480 kHz로 측정되었다. 피코초펄스 레이저를 이용한 자발적 매개하향변환에서 발생한 펄스형 단일광자 신호를 이용하여 측정된 주파수 상향변환 검출기의 최소 타이밍 지터는 약 39.1 ps였다. 또한 아주 좁은 동시계수 시간 폭으로 펄스형의 주파수 상향변환된 단일광자를 측정하면 잡음의 효과를 최소화할 수 있고, 신호대 잡음비의 특성을 최대로 높일 수 있다. We present a low jitter frequency up-conversion detector based on quasi-phase matched sum frequency generation in a periodically poled LiNbO3LiNbO_3LiNbO3​ waveguide for efficient single-photon detection at 1.5 μm{\mu}mμm telecommunication wavelengths. The maximum detection efficiency and the noise count rate using the pump power of 300 mW and the pump wavelength of 974 nm are about 7% and 480 kHz, respectively. We also characterize the timing jitter of the frequency up-conversion detector by analyzing the time distribution of the detection outputs for photons generated through a picosecond pump pulsed spontaneous parametric downconversion. The minimum timing jitter was measured to be about 39.1 ps. Coincidence measurement with a narrow time window for pulsed up-conversion photons can eliminate the unwanted noise counts and maximize signal to noise ratio.
1.5 μm 통신파장 대역 단일광자의 효율적인 측정을 위해서 PPLN WG(periodically poled LiNbO₃ waveguide)에서 준위상정합을 이용한 합주파수 생성에 의한 주파수 상향변환 검출기를 구성하고 검출 효율, 잡음 계수 및 타이밍 지터를 측정하였다. 974 nm에서 발진하는 펌프광의 세기가 300 mW일 때 최대 검출효율이 약 7%, 잡음 계수율은 약 480 kHz로 측정되었다. 피코초펄스 레이저를 이용한 자발적 매개하향변환에서 발생한 펄스형 단일광자 신호를 이용하여 측정된 주파수 상향변환 검출기의 최소 타이밍 지터는 약 39.1 ps였다. 또한 아주 좁은 동시계수 시간 폭으로 펄스형의 주파수 상향변환된 단일광자를 측정하면 잡음의 효과를 최소화할 수 있고, 신호대 잡음비의 특성을 최대로 높일 수 있다.
본 연구에서는 파라핀이 코팅된 Rb원자 증기 셀을 이용하여 87Rb^{87}Rb87Rb D1D_1D1​ 전이선의 Hanle스펙트럼과 비선형 광자기 효과 신호를 조사하였다. 파라핀 코팅 증기 셀의 효과에 의한 좁은 스펙트럼 폭을 가진 영역과 순수 증기 셀에서 얻을 수 있는 넓은 스펙트럼폭을 가진 이중구조의 Hanle 스펙트럼을 관측할 수 있었다. 스펙트럼에 나타난 이중구조에서 좁은 선폭 영역의 선폭은 1 kHz로 측정되었고, 스펙트럼 크기는 전체 스펙트럼에 대해서 10%로 측정되었다. 또한, Hanle 스펙트럼에 대응되는 이중 미분형태의 비선형 광자기 신호를 관측하였으며, 기울기가 급격하게 변하는 비선형 광자기 신호의 기울기는 레이저의 출력이 200μW200{\mu}W200μW 일 때 대략 10 mV/ μT{\mu}TμT 였다. In our study, the Hanle spectrum and nonlinear magneto-optic effect (NMOE) signals were observed as a function of magnetic field on D1D_1D1​ line of 87Rb^{87}Rb87Rb atoms contained in a paraffin coated vapor cell. We observed the double structure from the Hanle and the NMOE spectrum in the paraffin coated Rb vapor cell. The narrow spectral width of the narrow resonance signal is approximately 1 kHz and the magnitude is approximately 10 percent of the total spectrum. Also, the NMOE signals corresponding to the Hanle configuration consisted of two different dispersion-like features. At the near zero magnetic field, a sharp slope signal was centered, and its value was 10 mV/ μT{\mu}TμT with laser power was 200μW200{\mu}W200μW .