ORS

Ultrastable Laser System

(Menlo Systems)

 Hz 수준 선폭과 최저 위상 노이즈의 초고안정 광 기준 시스템

Optical Reference System(ORS)은 성능 타협 없이 최고의 성능을 목표로 설계되었다. 초협대 선폭의 레이저 광을 제공하며 뛰어난 주파수 안정도를 구현한다. 

시스템의 핵심은 CW 레이저의 기준으로 사용되는 고피네스(Finesse) Fabry-Pérot 캐비티(길이 12.1 cm 실린더 스페이서)이다. 캐비티는 초저열팽창 유리(ULE, Ultra-Low Expansion Glass)로 제작되었으며 열팽창이 0이 되는 온도 조건에서 진공 상태로 운용된다. 기준 캐비티는 진동으로부터 능동적으로 분리되고 음향적으로 차폐되어 거친 실험실 환경에서도 최고의 성능을 유지한다. 사용이 간편한 캐비티 락킹 메커니즘을 통해 광학 경로 재정렬 없이 장비 이동이 가능하다.

시스템은 Menlo Systems의 최신 SYNCRO 컨트롤러로 구동되며, 다양한 응용을 위한 모듈형 전자 제어 플랫폼을 제공한다. 사용이 간편한 캐비티 락킹 메커니즘을 통해 광학 경로 재정렬 없이 장비 이동이 가능하다. 저노이즈 레이저 드라이버와 고속 아날로그 서보 루프 등 레이저 주파수 안정화에 필요한 모든 전자 장치를 포함한다. 사용자는 7인치 전면 터치스크린 또는 원격 PC의 GUI를 통해 모든 시스템 파라미터를 제어할 수 있다. 내장 소프트웨어는 자동 캐비티 락킹 및 시스템 모니터링 기능을 제공한다.

주요 사양

 - 안정도 : <7 x 10⁻¹⁶  at 1 s (ORS with ORS-FS-XTAL Option) 

 - 선폭 : <1 Hz 

 - 출력 파워 : >10 mW 

 - 파장 : 650–1600 nm (ORS) 900–1600 nm (with ORS-FS-XTAL)

특징

 - 최고 수준 성능

 - 초고안정 성능

 - 자동 레이저 락킹

 - 맞춤형 설계

 - 이동 가능한 시스템

 - 컴팩트 통합 구조

적용 분야

 - 광 시계 (Optical Clocks) 

 - 양자 컴퓨팅 (Quantum Computing)

 - 초저 노이즈 마이크로파 생성 (Ultra-low Noise Microwave Generation)

 - 주파수 콤 안정화 (Frequency Comb Stabilization)

 - 고분해능 분광 (High Resolution Spectroscopy)

 - 레이저 냉각 및 트래핑 (Laser Cooling and Trapping)

성능 데이터

안정도

표준 ORS(1542 nm)와 결정 코팅 적용 ORS(ORS-FS-XTAL, 1542 nm)의 부분 주파수 안정도 비교

위상 노이즈

ORS-FS-XTAL 적용 ORS의 위상 노이즈(1542 nm)

일반 사양

*다른 캐리어 주파수에서는 그에 따라 스케일링 적용

선택 사양

 - ORS-FS-XTAL: 결정형 미러 코팅 패키지(Crystalline Mirror Coating Package)

    ORS-FS-XTAL 옵션은 융합 실리카(fused silica) 기판 위에 고반사 결정 코팅을 적용한 캐비티 미러를 사용하여 열 노이즈 바닥(thermal noise floor)을 크게 낮추고, 클록 응용에 필요한 최고 수준의 단기 주파수 안정도를 구현한다. 또한 캐비티 내부 광 파워는 AOM을 이용한 피드백 제어로 능동 안정화된다.

   900 nm 이상의 특정 파장 ORS 시스템에만 적용 가능

 - ORS-EOM-SBL: EOM 사이드밴드 락 패키지(EOM Sideband Lock Package)

    EOM Sideband Lock Package는 넓은 주파수 조정 범위를 갖는 초고안정 레이저 출력을 제공한다. 캐비티로 전달되는 레이저 광에 전기광 변조기(EOM)를 사용해 사이드밴드를 생성하고, 이 중 변조 사이드밴드를 기준 캐비티에 결합한다. 캐리어 신호는 주파수 가변이 가능한 초고안정 사용자 출력으로 사용되며, 최대 자유 스펙트럼 범위(FSR)의 절반(±0.5 × FSR)까지 튜닝이 가능하다.

 - ORS-FNC: 파이버 노이즈 캔슬레이션 패키지(Fiber Noise Cancellation Package)

    ORS-FNC 확장 패키지는 초고안정 레이저 출력의 위상 노이즈를 능동적으로 보상하여 서브-Hz 선폭 레이저 광의 광섬유 전송을 가능하게 한다. ORS-FNC는 광섬유에서 온도 변화와 진동에 의해 발생하는 위상 노이즈를 간섭계 방식으로 검출하고, 위상 잠금 루프(PLL)와 AOM을 액추에이터로 사용하여 이를 능동적으로 보상한다. 이러한 방식으로 안정화된 광섬유 링크의 잔여 노이즈는 ORS의 주파수 안정도보다 훨씬 낮은 수준이다.

 - ORS-MWL: 다중 파장 미러 코팅 패키지(Multiple-Wavelength Mirror Coatings Package)

    여러 레이저를 동일한 기준 캐비티에 동시에 안정화하기 위해 두 개 이상의 파장에서 높은 반사율을 갖는 맞춤형 캐비티 미러 코팅을 제공한다. 응용 요구에 맞게 코팅 설계 및 캐비티 미러 구성이 맞춤 제작된다.

 - ORS-SHG: 제2고조파 발생 패키지(Second Harmonic Generation Package)

    ORS-SHG 확장 옵션은 시스템에 주파수 배가(frequency doubling) 유닛을 통합하며, 자유공간(free-space) 또는 파이버 결합(fiber-coupled) 출력 구성을 제공한다. 이를 통해 레이저 출력을 주파수 배가하여 더 짧은 파장에서 초고안정 레이저 시스템을 구현할 수 있으며, 다양한 응용에 유리하다(예: 698 nm 스트론튬 클록 전이에 사용하기 위해 1397 nm 레이저를 주파수 배가).

 - ORS-HP: 고출력 패키지(High Output Power Package)

    ORS-HP 옵션은 초고안정 레이저의 기본 출력(10 mW)을 응용에 필요한 출력 수준까지 증폭할 수 있도록 한다(예: Ca⁺ 실험을 위한 729 nm에서 > 1 W 출력). 증폭기는 주파수 안정화 서보 루프 내부에 포함되어 있어 시스템 안정도에 미치는 영향이 최소화된다.

 - ORS-DDRIF: 캐비티 드리프트 보정 패키지(Cavity De-Drifting Package)

    ORS-DDRIFT 패키지는 기준 캐비티의 노화로 인해 발생하는 불가피한 선형 주파수 드리프트를 보상하기 위해 설계되었다. 본 패키지는 직접 디지털 주파수 합성기(DDS), 고출력 RF 증폭기, 음향광 변조기(AOM) 및 제어 소프트웨어 모듈을 포함한다. DDS에 설정된 가변 선형 주파수 램프를 AOM에 적용하여 캐비티의 선형 드리프트를 보상한다.

 - ORS-DSRV: 외부 원자 전이 안정화를 위한 디지털 서보 인터페이스 패키지(Digital Servo Interface Package for Stabilization to External Atomic Transition)

    ORS-DSRV 패키지는 초고안정 레이저의 주파수를 사용자가 지정한 기준(예: 원자 클록 전이)에 안정화하기 위한 디지털 서보 인터페이스를 제공한다. 본 패키지는 직접 디지털 주파수 합성기(DDS), 고출력 RF 증폭기, 음향광 변조기(AOM) 및 소프트웨어 모듈로 구성된다. 사용자는 주파수 오차 신호를 제공하며, SYNCRO 제어 플랫폼이 이를 적분 처리하여 AOM에 피드백함으로써 레이저를 외부 기준에 안정화한다.

 일반 정보

 확장 패키지에 포함된 전자 모듈은 Menlo Systems의 SYNCRO(3세대) 제어 플랫폼에 삽입되는 구조로 설계되어 있다. 이를 통해 기존 하드웨어 및 소프트웨어 인프라와 원활하게 통합된다.

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