마이크로파 광전자공학이름에서 알 수 있듯이, 마이크로파와광전자공학마이크로파와 빛은 모두 전자기파이며, 주파수 차이가 수십 배에 달하고, 각 분야에서 개발된 구성 요소와 기술 또한 매우 다릅니다. 하지만 이들을 결합하면 서로의 장점을 활용할 수 있을 뿐 아니라, 각각 단독으로는 구현하기 어려운 새로운 응용 분야와 특성을 얻을 수 있습니다.
광통신마이크로파와 광전자의 결합을 보여주는 대표적인 예가 바로 광섬유 통신입니다. 초기 전화와 전신 무선 통신은 신호의 생성, 전송, 수신 모두 마이크로파 장치를 사용했습니다. 초기에는 주파수 범위가 좁고 전송 채널 용량이 제한적이었기 때문에 저주파 전자기파를 사용했습니다. 이에 대한 해결책은 전송 신호의 주파수를 높이는 것이었는데, 주파수가 높을수록 더 많은 주파수 자원을 확보할 수 있었습니다. 그러나 고주파 신호는 공기 중에서 전파 손실이 크고 장애물에 쉽게 차단되었습니다. 케이블을 사용할 경우 케이블 손실이 크고 장거리 전송에 어려움이 있었습니다. 광섬유 통신의 등장은 이러한 문제들을 해결하는 좋은 대안이 되었습니다.광섬유빛은 전송 손실이 매우 낮아 장거리 신호 전송에 탁월한 매체입니다. 빛 파동의 주파수 범위는 마이크로파보다 훨씬 넓어 여러 채널을 동시에 전송할 수 있습니다. 이러한 장점 때문에 빛은 장거리 신호 전송에 매우 적합합니다.광학 투과광섬유 통신은 오늘날 정보 전송의 핵심 기반이 되었습니다.
광통신은 오랜 역사를 가지고 있으며, 연구와 응용 분야가 매우 광범위하고 성숙되어 있으므로 더 이상 설명할 필요는 없습니다. 본 논문은 주로 광통신을 제외한 최근 몇 년간의 마이크로파 광전자공학 연구의 새로운 내용을 소개합니다. 마이크로파 광전자공학은 주로 광전자공학 분야의 방법과 기술을 기반으로 기존 마이크로파 전자 부품으로는 달성하기 어려웠던 성능 향상 및 응용을 실현하는 것을 목표로 합니다. 응용 측면에서 보면, 주로 다음 세 가지 측면을 포함합니다.
첫 번째는 광전자공학을 이용하여 X 대역부터 테라헤르츠 대역까지 고성능 저잡음 마이크로파 신호를 생성하는 것입니다.
둘째, 마이크로파 신호 처리입니다. 여기에는 지연, 필터링, 주파수 변환, 수신 등이 포함됩니다.
셋째, 아날로그 신호의 전송입니다.
이 글에서는 마이크로파 신호 생성의 첫 번째 부분만 소개합니다. 기존의 마이크로파 밀리미터파는 주로 III-V족 미세전자 소자를 이용하여 생성됩니다. 하지만 다음과 같은 한계점이 있습니다. 첫째, 100GHz 이상의 고주파수에서는 기존 미세전자 소자의 출력이 점점 낮아지고, 테라헤르츠(THz) 이상의 초고주파 신호는 아예 생성할 수 없습니다. 둘째, 위상 잡음을 줄이고 주파수 안정성을 향상시키기 위해 소자를 극저온 환경에 설치해야 합니다. 셋째, 넓은 주파수 변조 변환 범위를 구현하기 어렵습니다. 이러한 문제들을 해결하기 위해 광전자 기술이 활용될 수 있으며, 주요 방법들은 아래에 설명합니다.
1. 그림 1에서와 같이, 서로 다른 주파수를 가진 두 레이저 신호의 주파수 차이를 이용하여 고주파 광검출기로 마이크로파 신호를 변환합니다.
그림 1. 두 전극의 주파수 차이에 의해 생성된 마이크로파의 개략도레이저.
이 방법의 장점은 구조가 간단하고, 밀리미터파는 물론 테라헤르츠파와 같은 초고주파 신호를 생성할 수 있으며, 레이저 주파수 조정을 통해 넓은 범위의 고속 주파수 변환 및 스윕 주파수를 수행할 수 있다는 점입니다. 단점은 서로 관련 없는 두 레이저 신호에 의해 생성된 차이 주파수 신호의 선폭이나 위상 잡음이 비교적 크고, 특히 부피는 작지만 선폭이 큰(~MHz) 반도체 레이저를 사용하는 경우 주파수 안정성이 낮다는 것입니다. 시스템의 부피와 무게에 대한 요구 조건이 높지 않다면 저잡음(~kHz) 고체 레이저를 사용할 수 있습니다.파이버 레이저외부 공동반도체 레이저그 외에도, 동일한 레이저 공진기에서 생성된 두 가지 다른 모드의 레이저 신호를 사용하여 차이 주파수를 생성할 수 있으므로 마이크로파 주파수 안정성 성능이 크게 향상됩니다.
2. 이전 방식에서 두 레이저의 비간섭성으로 인해 발생하는 신호 위상 잡음이 너무 큰 문제를 해결하기 위해, 주입 주파수 잠금 위상 잠금 방식 또는 네거티브 피드백 위상 잠금 회로를 이용하여 두 레이저 간의 간섭성을 확보할 수 있다. 그림 2는 주입 잠금 방식을 이용하여 마이크로파 다중 신호를 생성하는 일반적인 응용 사례를 보여준다. 반도체 레이저에 고주파 전류 신호를 직접 주입하거나 LinBO3 위상 변조기를 사용하여, 동일한 주파수 간격을 갖는 서로 다른 주파수의 다중 광 신호, 즉 광 주파수 콤을 생성할 수 있다. 물론, 광대역 광 주파수 콤을 얻는 데 일반적으로 사용되는 방법은 모드 잠금 레이저를 이용하는 것이다. 생성된 광 주파수 콤에서 임의의 두 신호를 필터링하여 각각 레이저 1과 2에 주입함으로써 주파수 및 위상 잠금을 구현한다. 광 주파수 콤의 서로 다른 콤 신호 간의 위상이 비교적 안정적이기 때문에 두 레이저 간의 상대 위상도 안정적이며, 앞서 설명한 차분 주파수 방식을 통해 광 주파수 콤의 반복률을 갖는 다중 주파수 마이크로파 신호를 얻을 수 있다.
그림 2. 주입 주파수 잠금에 의해 생성된 마이크로파 주파수 배가 신호의 개략도.
두 레이저의 상대적인 위상 잡음을 줄이는 또 다른 방법은 그림 3에 나타낸 것처럼 네거티브 피드백 광학 PLL을 사용하는 것입니다.
그림 3. OPL의 개략도.
광학 PLL의 원리는 전자 분야의 PLL과 유사합니다. 두 레이저의 위상차는 광검출기(위상 검출기와 동일)에 의해 전기 신호로 변환되고, 이 전기 신호는 기준 마이크로파 신호 소스와 주파수 차이를 만들어 두 레이저 간의 위상차로 변환됩니다. 이 신호는 증폭 및 필터링 과정을 거쳐 한 레이저의 주파수 제어 장치(반도체 레이저의 경우 주입 전류)로 피드백됩니다. 이러한 음의 피드백 제어 루프를 통해 두 레이저 신호의 상대 주파수 위상은 기준 마이크로파 신호에 고정됩니다. 이렇게 결합된 광 신호는 광섬유를 통해 다른 위치에 있는 광검출기로 전송되어 마이크로파 신호로 변환됩니다. 결과적으로 생성되는 마이크로파 신호의 위상 잡음은 위상 고정 음의 피드백 루프의 대역폭 내에서는 기준 신호의 위상 잡음과 거의 동일합니다. 대역폭 밖에서의 위상 잡음은 원래 두 레이저의 상대 위상 잡음과 같습니다.
또한, 기준 마이크로파 신호 소스는 주파수 배가, 주파수 분할 또는 기타 주파수 처리를 통해 다른 신호 소스로 변환될 수 있으므로, 저주파 마이크로파 신호를 다중 배가하거나 고주파 RF, THz 신호로 변환할 수 있습니다.
주입 주파수 잠금 방식은 주파수 배가만 얻을 수 있는 반면, 위상 잠금 루프(PLL)는 훨씬 유연하여 거의 임의의 주파수를 생성할 수 있으며, 물론 더 복잡한 구조를 가질 수 있습니다. 예를 들어, 그림 2의 광전 변조기에서 생성된 광 주파수 콤을 광원으로 사용하고, 광 위상 잠금 루프를 이용하여 두 레이저의 주파수를 두 개의 광 주파수 콤 신호에 선택적으로 잠금으로써 두 레이저의 주파수 차이를 통해 고주파 신호를 생성합니다(그림 4 참조). 여기서 f1과 f2는 각각 두 PLLS의 기준 신호 주파수이며, 두 레이저의 주파수 차이를 통해 N*frep+f1+f2의 마이크로파 신호를 생성할 수 있습니다.
그림 4. 광 주파수 콤과 PLLS를 이용하여 임의 주파수를 생성하는 개략도.
3. 모드 고정 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. 레이저의 주파수를 매우 안정적인 원자 및 분자 전이 스펙트럼이나 극도로 안정적인 광학 공진기에 고정하고, 자체 이중 주파수 제거 시스템 주파수 시프트 등의 기술을 사용함으로써, 반복 주파수가 매우 안정적인 광 펄스 신호를 얻을 수 있으며, 이를 통해 초저위상 잡음의 마이크로파 신호를 얻을 수 있습니다. 그림 5.
그림 5. 서로 다른 신호 소스의 상대 위상 잡음 비교.
그러나 펄스 반복률은 레이저 공진기 길이에 반비례하고, 기존의 모드 고정 레이저는 크기가 크기 때문에 고주파 마이크로파 신호를 직접 얻기 어렵습니다. 또한, 기존 펄스 레이저는 크기, 무게, 에너지 소비량이 크고 환경적 요구 조건이 까다로워 주로 실험실 용도로만 사용되어 왔습니다. 이러한 어려움을 극복하기 위해 최근 미국과 독일에서는 비선형 효과를 이용하여 매우 작고 고품질의 처프 모드 광 공진기에서 주파수 안정형 광 콤을 생성하고, 이를 통해 고주파 저잡음 마이크로파 신호를 생성하는 연구가 활발히 진행되고 있습니다.
4. 광전자 발진기, 그림 6.
그림 6. 광전 결합 발진기의 개략도.
전통적인 마이크로파 또는 레이저 발생 방법 중 하나는 자체 피드백 폐루프를 이용하는 것입니다. 폐루프의 이득이 손실보다 크면 자체 여기 발진을 통해 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 루프 길이가 길어지면 일반적으로 여러 발진 모드가 발생할 수 있으며, 여기에 협대역 필터를 추가하면 단일 주파수의 저잡음 마이크로파 발진 신호만 얻을 수 있습니다. 광전 결합 발진기는 이러한 원리를 기반으로 하는 마이크로파 신호 발생 장치로, 광섬유의 낮은 전파 손실 특성을 최대한 활용하고, 더 긴 광섬유를 사용하여 루프의 Q 값을 향상시킴으로써 위상 잡음이 매우 낮은 마이크로파 신호를 생성할 수 있습니다. 1990년대에 이 방법이 제안된 이후, 이러한 유형의 발진기는 광범위한 연구와 상당한 개발을 거쳐 현재 상용화된 광전 결합 발진기가 존재합니다. 최근에는 주파수 조절이 넓은 범위에 걸쳐 가능한 광전 발진기가 개발되었습니다. 이러한 구조를 기반으로 하는 마이크로파 신호원의 주요 문제점은 루프 길이가 길어 자유 흐름 범위(FSR)와 주파수의 두 배에서 잡음이 크게 증가한다는 것입니다. 또한, 사용되는 광전 부품의 수가 많아 비용이 높고, 부피 축소가 어려우며, 긴 광섬유는 환경적 교란에 더욱 민감합니다.
위에서는 광전자를 이용한 마이크로파 신호 생성 방법 몇 가지와 그 장단점을 간략하게 소개했습니다. 마지막으로, 광전자를 이용한 마이크로파 생성은 광 신호를 광섬유를 통해 매우 낮은 손실로 전송하여 장거리에서 각 사용 단말기까지 전달한 후 마이크로파 신호로 변환할 수 있다는 장점이 있으며, 기존 전자 부품에 비해 전자기 간섭에 대한 저항성이 크게 향상된다는 장점도 있습니다.
본 글은 주로 참고 자료로 작성되었으며, 저자의 연구 경험 및 해당 분야 경험을 바탕으로 작성되었으므로 부정확하거나 불완전한 부분이 있을 수 있음을 양해 부탁드립니다.
게시 시간: 2024년 1월 3일