마이크로파 광전자공학, 이름에서 알 수 있듯이 마이크로파와광전자공학마이크로파와 광파는 전자기파이며, 주파수는 수십 배나 다르고, 각 분야에서 개발되는 부품과 기술도 매우 다릅니다. 이러한 특성을 결합하면 서로의 장점을 활용할 수 있지만, 각각 구현하기 어려운 새로운 응용 분야와 특성을 얻을 수 있습니다.
광통신마이크로파와 광전자의 결합을 보여주는 대표적인 사례입니다. 초기 전화 및 전신 무선 통신은 신호의 생성, 전파, 수신에 모두 마이크로파 장치를 사용했습니다. 저주파 전자기파는 주파수 범위가 좁고 전송 채널 용량이 작기 때문에 초기에 사용되었습니다. 해결책은 전송 신호의 주파수를 높이는 것입니다. 주파수가 높을수록 스펙트럼 자원이 더 많아집니다. 하지만 고주파 신호는 공기 전파 손실이 크고 장애물에 의해 차단되기 쉽습니다. 케이블을 사용할 경우 케이블 손실이 크고 장거리 전송이 문제가 됩니다. 광섬유 통신의 등장은 이러한 문제에 대한 좋은 해결책입니다.광섬유전송 손실이 매우 낮아 장거리 신호 전송에 탁월한 반송파입니다. 광파의 주파수 범위는 마이크로파보다 훨씬 넓으며, 여러 채널을 동시에 전송할 수 있습니다. 이러한 장점 때문에광 전송광섬유 통신은 오늘날 정보 전송의 중추가 되었습니다.
광통신은 오랜 역사를 가지고 있으며, 연구와 응용 분야가 매우 광범위하고 성숙되어 있습니다. 더 이상 자세히 설명할 필요는 없습니다. 본 논문은 광통신을 제외한 최근 몇 년간 마이크로파 광전자공학의 새로운 연구 내용을 주로 소개합니다. 마이크로파 광전자공학은 광전자공학 분야의 방법과 기술을 기반으로 기존 마이크로파 전자 부품으로는 달성하기 어려웠던 성능과 응용 분야를 개선하고 실현합니다. 응용 측면에서는 주로 다음 세 가지 측면을 포함합니다.
첫 번째는 광전자공학을 사용하여 X-대역부터 THz 대역까지 고성능, 저잡음 마이크로파 신호를 생성하는 것입니다.
둘째, 마이크로파 신호 처리. 지연, 필터링, 주파수 변환, 수신 등을 포함합니다.
셋째, 아날로그 신호의 전송입니다.
이 글에서 저자는 첫 번째 부분인 마이크로파 신호 생성에 대해서만 소개합니다. 기존의 마이크로파 밀리미터파는 주로 iii_V 마이크로전자 부품에 의해 생성됩니다. 이러한 마이크로파 신호 생성에는 다음과 같은 한계가 있습니다. 첫째, 100GHz 이상의 고주파에서는 기존 마이크로전자 부품의 출력이 점점 낮아지고, THz 이상의 고주파에서는 아무런 효과가 없습니다. 둘째, 위상 잡음을 줄이고 주파수 안정성을 향상시키려면 원래 소자를 극저온 환경에 설치해야 합니다. 셋째, 광범위한 주파수 변조 및 변환을 달성하기가 어렵습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 광전자 기술이 중요한 역할을 할 수 있습니다. 주요 방법은 다음과 같습니다.
1. 두 개의 서로 다른 주파수의 레이저 신호의 주파수 차이를 통해 고주파 광검출기를 사용하여 마이크로파 신호를 변환합니다(그림 1 참조).
그림 1. 두 개의 주파수 차이에 의해 생성되는 마이크로파의 개략도레이저.
이 방법의 장점은 구조가 간단하고, 초고주파 밀리미터파는 물론 테라헤르츠(THz) 주파수 신호까지 생성할 수 있으며, 레이저 주파수를 조정하여 넓은 범위의 고속 주파수 변환 및 스윕 주파수를 구현할 수 있다는 것입니다. 단점은 서로 관련 없는 두 레이저 신호에서 생성된 차주파수 신호의 선폭 또는 위상 잡음이 상대적으로 크고, 특히 체적은 작지만 선폭이 큰(~MHz) 반도체 레이저를 사용하는 경우 주파수 안정도가 높지 않다는 것입니다. 시스템 무게와 체적 요건이 높지 않은 경우, 저잡음(~kHz) 고체 레이저를 사용할 수 있습니다.파이버 레이저, 외부 공동반도체 레이저, 등. 또한, 동일한 레이저 공동에서 생성된 두 가지 다른 모드의 레이저 신호를 사용하여 다른 주파수를 생성할 수도 있으므로 마이크로파 주파수 안정도 성능이 크게 향상됩니다.
2. 이전 방식에서 두 레이저가 비간섭적이고 생성되는 신호 위상 잡음이 너무 크다는 문제를 해결하기 위해, 주입 주파수 잠금 위상 잠금 방식이나 부궤환 위상 잠금 회로를 사용하여 두 레이저 간의 가간섭성을 얻을 수 있습니다. 그림 2는 마이크로파 다중파를 생성하기 위한 주입 잠금 방식의 일반적인 적용 예를 보여줍니다(그림 2). 반도체 레이저에 고주파 전류 신호를 직접 주입하거나 LinBO3 위상 변조기를 사용하여 주파수 간격이 같은 서로 다른 여러 개의 광 신호, 즉 광 주파수 빗을 생성할 수 있습니다. 물론, 넓은 스펙트럼 광 주파수 빗을 얻기 위해 일반적으로 사용되는 방법은 모드 잠금 레이저를 사용하는 것입니다. 생성된 광 주파수 빗에서 임의의 두 빗 신호를 필터링하여 선택하고 각각 레이저 1과 2에 주입하여 주파수 및 위상 잠금을 구현합니다. 광 주파수 빗의 서로 다른 빗살 신호 사이의 위상이 비교적 안정적이기 때문에 두 레이저 사이의 상대적인 위상도 안정되고, 앞서 설명한 바와 같이 주파수 차이의 방법에 의해 광 주파수 빗 반복률의 다중 주파수 마이크로파 신호를 얻을 수 있다.
그림 2. 주입 주파수 잠금에 의해 생성된 마이크로파 주파수 배가 신호의 개략도.
두 레이저의 상대적 위상 잡음을 줄이는 또 다른 방법은 그림 3에서 볼 수 있듯이 음의 피드백 광학 PLL을 사용하는 것입니다.
그림 3. OPL의 개략도.
광 PLL의 원리는 전자 분야의 PLL 원리와 유사합니다. 두 레이저의 위상차는 광검출기(위상 검출기와 동일)에 의해 전기 신호로 변환되고, 두 레이저 간의 위상차는 기준 마이크로파 신호원과 주파수 차이를 만들어 얻습니다. 이 신호원은 증폭 및 필터링되어 레이저 중 하나의 주파수 제어 장치(반도체 레이저의 경우 주입 전류)로 피드백됩니다. 이러한 음의 되먹임 제어 루프를 통해 두 레이저 신호 간의 상대 주파수 위상은 기준 마이크로파 신호에 고정됩니다. 결합된 광 신호는 광섬유를 통해 다른 곳에 있는 광검출기로 전송되어 마이크로파 신호로 변환됩니다. 마이크로파 신호의 위상 잡음은 위상 고정된 음의 되먹임 루프의 대역폭 내에서 기준 신호의 위상 잡음과 거의 같습니다. 대역폭 밖의 위상 잡음은 원래 두 개의 관련 없는 레이저의 상대 위상 잡음과 같습니다.
또한, 기준 마이크로파 신호원은 주파수 배가, 주파수 분할 또는 기타 주파수 처리를 통해 다른 신호원으로 변환될 수 있으므로, 저주파 마이크로파 신호를 다중 배가하거나 고주파 RF, THz 신호로 변환할 수 있습니다.
주입 주파수 고정 방식은 주파수 배가만 가능하지만, 위상 고정 루프는 더 유연하고 거의 임의의 주파수를 생성할 수 있으며, 물론 더 복잡합니다. 예를 들어, 그림 2의 광전 변조기에서 생성된 광 주파수 빗살을 광원으로 사용하고, 광 위상 고정 루프를 사용하여 두 레이저의 주파수를 두 광 빗살 신호에 선택적으로 고정한 후, 그림 4와 같이 그 차이 주파수를 통해 고주파 신호를 생성합니다. f1과 f2는 각각 두 PLLS의 기준 신호 주파수이며, 두 레이저의 차이 주파수를 통해 N*frep+f1+f2의 마이크로파 신호를 생성할 수 있습니다.
그림 4. 광 주파수 빗과 PLLS를 사용하여 임의의 주파수를 생성하는 개략도.
3. 모드 잠금 펄스 레이저를 사용하여 광 펄스 신호를 마이크로파 신호로 변환합니다.광검출기.
이 방법의 주요 장점은 주파수 안정성이 매우 우수하고 위상 잡음이 매우 낮은 신호를 얻을 수 있다는 것입니다. 레이저 주파수를 매우 안정적인 원자 및 분자 전이 스펙트럼이나 매우 안정적인 광 공동에 고정하고, 자기 배가 주파수 제거 시스템(Self-doubling Frequency Elimination System, SFD) 주파수 편이 및 기타 기술을 활용함으로써, 매우 안정적인 반복 주파수를 갖는 매우 안정적인 광 펄스 신호를 얻을 수 있습니다. 이를 통해 위상 잡음이 매우 낮은 마이크로파 신호를 얻을 수 있습니다. 그림 5.
그림 5. 다양한 신호 소스의 상대적 위상 잡음 비교.
그러나 펄스 반복률이 레이저의 공진기 길이에 반비례하고, 기존의 모드 잠금 레이저는 크기가 크기 때문에 고주파 마이크로파 신호를 직접 얻기가 어렵습니다. 또한, 기존 펄스 레이저의 크기, 무게, 에너지 소비량, 그리고 혹독한 환경적 요건은 주로 실험실 응용 분야에 적용하는 데 제약이 됩니다. 이러한 어려움을 극복하기 위해 최근 미국과 독일에서는 비선형 효과를 이용하여 매우 작고 고품질의 처프 모드 광 공진기에서 주파수 안정 광 빗을 생성하는 연구가 시작되었습니다. 이 광 빗은 고주파 저잡음 마이크로파 신호를 생성합니다.
4. 광전자 발진기, 그림 6.
그림 6. 광전 결합 발진기의 개략도.
마이크로파 또는 레이저를 생성하는 전통적인 방법 중 하나는 자기 피드백 폐루프를 사용하는 것입니다. 폐루프의 이득이 손실보다 크면 자기 여기 발진으로 마이크로파 또는 레이저를 생성할 수 있습니다. 폐루프의 품질 계수(Q)가 높을수록 생성되는 신호의 위상 또는 주파수 잡음이 작아집니다. 루프의 품질 계수를 높이는 직접적인 방법은 루프 길이를 늘리고 전파 손실을 최소화하는 것입니다. 그러나 더 긴 루프는 일반적으로 여러 모드의 발진 생성을 지원할 수 있으며, 협대역 필터를 추가하면 단일 주파수 저잡음 마이크로파 발진 신호를 얻을 수 있습니다. 광전 결합 발진기는 이러한 아이디어를 기반으로 한 마이크로파 신호원으로, 광섬유의 낮은 전파 손실 특성을 최대한 활용하고, 더 긴 광섬유를 사용하여 루프 Q 값을 향상시킴으로써 위상 잡음이 매우 낮은 마이크로파 신호를 생성할 수 있습니다. 1990년대에 이 방식이 제안된 이후, 이러한 유형의 발진기는 광범위한 연구와 상당한 발전을 거쳐 왔으며, 현재 상용 광전 결합 발진기가 있습니다. 최근에는 넓은 범위에서 주파수를 조절할 수 있는 광전 발진기가 개발되었습니다. 이 구조에 기반한 마이크로파 신호원의 주요 문제점은 루프가 길고, 자유 흐름(FSR)과 이중 주파수의 잡음이 크게 증가한다는 것입니다. 또한, 사용되는 광전 소자의 수가 많고, 비용이 높으며, 부피를 줄이기 어렵고, 광섬유가 길수록 환경 교란에 더 민감합니다.
위에서는 광전자를 이용한 마이크로파 신호 생성 방법 몇 가지와 그 장단점을 간략하게 소개했습니다. 마지막으로, 광전자를 이용하여 마이크로파를 생성하는 또 다른 장점은 광 신호를 광섬유를 통해 매우 낮은 손실로 장거리 전송하여 각 사용 단말기에 전달하고, 이를 마이크로파 신호로 변환할 수 있다는 것입니다. 또한, 기존 전자 부품보다 전자파 간섭 저항성이 크게 향상됩니다.
본 논문은 주로 참고용으로 작성되었으며, 저자 본인의 연구 경험과 해당 분야에서의 경험을 종합적으로 고려하여 작성하였기 때문에 부정확하거나 이해하기 어려운 부분이 있을 수 있으니 양해 부탁드립니다.
게시 시간: 2024년 1월 3일