전기광학 효과란 물질에 전기장이 가해졌을 때 물질의 굴절률이 변하는 현상을 말합니다. 전기광학 효과에는 크게 두 가지 종류가 있는데, 하나는 1차 전기광학 효과로, 포켈스 효과라고도 하며, 인가된 전기장에 비례하여 물질의 굴절률이 선형적으로 변하는 경우를 말합니다. 다른 하나는 2차 전기광학 효과로, 커 효과라고도 하며, 물질의 굴절률 변화가 전기장의 제곱에 비례하는 경우를 말합니다. 대부분의 전기광학 변조기는 포켈스 효과를 기반으로 합니다. 전기광학 변조기를 사용하면 입사광의 위상을 변조할 수 있으며, 이 위상 변조를 특정 변환을 통해 빛의 세기나 편광도 변조할 수 있습니다.
그림 2(a), (b), (c)에 나타낸 바와 같이 여러 가지 고전적인 구조가 있습니다. (a), (b), (c)는 모두 구조가 간단한 단일 변조기 구조이지만, 생성된 광 주파수 콤의 선폭은 전기광학 대역폭에 의해 제한됩니다. 높은 반복 주파수를 갖는 광 주파수 콤이 필요한 경우, 그림 2(d)(e)와 같이 두 개 이상의 변조기를 직렬로 연결해야 합니다. 광 주파수 콤을 생성하는 마지막 구조 유형은 전기광학 공진기라고 하며, 이는 전기광학 변조기를 공진기 내부에 배치하거나, 공진기 자체가 전기광학 효과를 생성할 수 있는 구조입니다(그림 3 참조).
그림 2. 광 주파수 콤을 생성하기 위한 몇 가지 실험 장치.전기광학 변조기
그림 3. 여러 전기광학 공동의 구조
03 전기광학 변조 광 주파수 콤 특성
첫 번째 장점: 조절 가능성
광원이 가변형 광대역 레이저이고, 전기광학 변조기 또한 특정 동작 주파수 대역폭을 가지므로, 전기광학 변조로 생성된 광 주파수 콤 또한 주파수 가변이 가능합니다. 가변 주파수뿐만 아니라 변조기의 파형 생성 또한 가변 가능하므로, 결과적으로 생성되는 광 주파수 콤의 반복 주파수도 가변 가능합니다. 이는 모드 고정 레이저나 마이크로 공진기를 이용해 생성된 광 주파수 콤에는 없는 장점입니다.
두 번째 장점: 반복 빈도
반복률은 유연할 뿐만 아니라 실험 장비를 변경하지 않고도 구현할 수 있습니다. 전기광학 변조 광 주파수 콤의 선폭은 변조 대역폭과 거의 동일하며, 일반적인 상용 전기광학 변조기의 대역폭은 40GHz입니다. 따라서 전기광학 변조 광 주파수 콤의 반복 주파수는 마이크로 공진기를 제외한 다른 모든 방법으로 생성된 광 주파수 콤의 대역폭(최대 100GHz)을 초과할 수 있습니다.
장점 3: 스펙트럼 형성
다른 방식으로 생성된 광콤과 비교했을 때, 전기광학 변조 광콤의 광 디스크 형상은 무선 주파수 신호, 바이어스 전압, 입사 편광 등과 같은 여러 자유도에 의해 결정되므로, 각 광콤의 강도를 제어하여 스펙트럼 형상화를 구현할 수 있습니다.
04 전기광학 변조기의 광 주파수 콤 응용
전기광학 변조기를 이용한 광 주파수 콤은 실제 응용에서 단일 콤 스펙트럼과 이중 콤 스펙트럼으로 나눌 수 있습니다. 단일 콤 스펙트럼은 선 간격이 매우 좁아 높은 정확도를 얻을 수 있습니다. 또한, 모드 고정 레이저를 이용한 광 주파수 콤과 비교했을 때, 전기광학 변조기를 이용한 광 주파수 콤은 크기가 작고 튜닝이 용이합니다. 이중 콤 분광기는 반복 주파수가 약간씩 다른 두 개의 코히런트 단일 콤의 간섭으로 생성되며, 이 반복 주파수 차이가 새로운 간섭 콤 스펙트럼의 선 간격이 됩니다. 광 주파수 콤 기술은 광학 이미징, 거리 측정, 두께 측정, 계측기 교정, 임의 파형 스펙트럼 형성, 무선 주파수 광자학, 원격 통신, 광학 스텔스 등 다양한 분야에 활용될 수 있습니다.
그림 4. 광 주파수 콤의 적용 시나리오: 고속 탄도 프로파일 측정을 예로 들어 설명
게시 시간: 2023년 12월 19일