KR102169816B1 - 저잡음 레이더 신호원을 제공하는 방법 및 장치 - Google Patents

저잡음 레이더 신호원을 제공하는 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

일실시예에서, 레이더 신호원 제공 방법은 펄스 레이저, 마이켈슨 간섭계, 및 밴드패스 필터(Bandpass Filter)를 이용하여 안정화된 광 펄스열 신호를 제공하는 단계, 위상 검출기, 및 전압 제어 발진기(VCO)를 이용하여, 상기 안정화된 광 펄스열 신호를 변조하여 국부 발진(Local Oscillation) 신호를 생성하는 단계, 주파수 분주기 및 직접 디지털 합성기를 이용하여 상기 국부 발진 신호를 변조시킨 가변 주파수 신호를 생성하는 단계, 및 상기 국부 발진 신호와 상기 가변 주파수 신호를 이용하여 출력 신호를 생성하는 단계를 포함한다.

Description

저잡음 레이더 신호원을 제공하는 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PROVIDING LOW NOISE RADAR SIGNAL GENERATOR}
저잡음 레이더 신호원을 제공하는 방법 및 장치에 연관되며, 보다 구체적으로는 광섬유 브래그 회절 격자(Fiber Bragg Gratings)를 포함하는 모드 잠금 루프, 위상 검출기(Phase Detector)를 포함하는 위상 잠금 루프, 및 직접 디지털 합성기(Direct Digital Synthesizer)를 이용하여 저잡음 레이더 신호원을 제공하는 방법 및 장치에 연관된다.
최근 광학 기술이 차세대 레이더 시스템에 적용될 수 있는 가능성에 대한 기대가 높아지고 있다. 특히, 기존에 많이 사용되어 온 크리스털 기반 신호원에 비하여 우수한 위상 잡음 성능을 가진 레이더 신호원의 제공이 가능하다면 레이더의 식별 기능 향상에 도움이 될 수 있다.
구체적으로, 레이더에서 주로 사용되는 X-밴드 주파수 대역(8 내지 12 GHz)의 신호원을 제공함에 있어서 신뢰성을 높이고 위상 잡음 성능을 향상시키는 것에 대한 필요성은 매우 중요하게 여겨지고 있다.
일반적인 광섬유 컴포넌트만을 이용하여 저잡음 레이더 신호원을 제공할 수 있다면 레이더 시스템에서 유용하게 활용될 수 있을 뿐 아니라 고성능 통신 시스템에서도 다양한 응용이 가능할 것이다.
일측에 따르면, 레이더 신호원 제공 방법은 펄스 레이저, 마이켈슨 간섭계, 및 밴드패스 필터(Bandpass Filter)를 이용하여 안정화된 광 펄스열 신호를 제공하는 단계, 위상 검출기, 및 전압 조정 발진기(Voltage Controlled Oscillator)를 이용하여, 상기 안정화된 광 펄스열 신호를 변조하여 국부 발진(Local Oscillation) 신호를 생성하는 단계, 주파수 분주기 및 직접 디지털 합성기를 이용하여 상기 국부 발진 신호를 변조시킨 가변 주파수 신호를 생성하는 단계, 및 상기 국부 발진 신호와 상기 가변 주파수 신호를 이용하여 출력 신호를 생성하는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 상기 국부 발진 신호는 10 GHz의 주파수를 가지고, 상기 가변 주파수 신호는 0 GHz 내지 1 GHz의 주파수를 가진다.
일실시예에서, 상기 국부 발진 신호를 생성하는 단계는, 상기 전압 제어 발진기에서 출력되는 국부 발진 신호를 상기 위상 검출기에 피드백 하는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 상기 가변 주파수 신호를 생성하는 단계는, 상기 주파수 분주기를 이용하여 상기 국부 발진 신호의 주파수를 분주(divide)하여 중간 주파수 신호를 생성하는 단계, 및 상기 직접 디지털 합성기를 이용하여 상기 중간 주파수 신호를 변조하여 상기 가변 주파수 신호를 제공하는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 상기 출력 신호를 생성하는 단계는, 위상 변환기를 이용하여 상기 가변 주파수 신호의 인페이즈(In-phase) 신호 및 쿼드러쳐(Quadrature) 신호를 제공하는 단계, 및 혼합기를 이용하여 상기 인페이즈 신호, 상기 쿼드러쳐 신호, 및 상기 국부 발진 신호를 합성하여 상기 출력 신호를 제공하는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 상기 안정화된 광 펄스열 신호를 제공하는 단계는, 상기 펄스 레이저에 의해 광 펄스열을 생성하는 단계, 상기 밴드패스 필터를 이용하여 상기 펄스 레이저에 의해 생성된 광 펄스열로부터 제1 파장 성분 및 제2 파장 성분을 추출하는 단계, 상기 마이켈슨 간섭계를 이용하여 상기 제1 파장 성분 및 상기 제2 파장 성분이 결합된 신호로부터 간섭 신호를 획득하는 단계, 및 상기 간섭 신호에 기초하여 상기 펄스 레이저에 피드백 신호를 제공하는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 상기 추출하는 단계는, 상기 펄스 레이저에 의해 생성된 광 펄스열을 서큘레이터 및 하나 이상의 밴드패스 필터에 통과시켜 상기 펄스 레이저에 의해 생성된 광 펄스열의 제1 파장 성분 또는 제2 파장 성분을 반사시키는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 상기 간섭 신호를 획득하는 단계는, 상기 결합된 신호를 상기 마이켈슨 간섭계의 레퍼런스 암(reference arm)과 딜레이 암(delay arm)으로 각각 가이드하고, 상기 레퍼런스 암의 출력 신호와 상기 딜레이 암의 출력 신호를 서로 간섭시키는 단계를 포함한다.
일실시예에서, 상기 딜레이 암은 광섬유 지연 라인, 지연 제어 유닛, 광섬유 스트레처, 음향 광학 주파수 변조기 및 패러데이 회전자 거울을 포함한다.
일실시예에서, 상기 지연 제어 유닛은, 상기 결합된 신호를 파장에 따라 분리하여 가이드하는 하나 이상의 파장 분할 다중화기, 및 상기 결합된 신호의 제2 파장 성분만을 추가로 지연시키는 모터 딜레이 라인을 포함한다.
다른 일측에 따르면, 레이더 신호원 제공 장치는 펄스 레이저, 마이켈슨 간섭계, 및 밴드패스 필터(Bandpass Filter)를 이용하여 안정화된 광 펄스열 신호를 제공하는 모드 잠금 루프, 위상 검출기, 및 전압 제어 발진기(VCO)를 이용하여, 상기 안정화된 광 펄스열 신호를 변조하여 국부 발진(Local Oscillation) 신호를 생성하는 위상 잠금 루프, 및 주파수 분주기 및 직접 디지털 합성기를 이용하여 상기 국부 발진 신호를 변조시킨 가변 주파수 신호를 생성하고, 상기 국부 발진 신호와 상기 가변 주파수 신호를 이용하여 출력 신호를 생성하는 신호 생성부를 포함한다.
일실시예에서, 상기 위상 잠금 루프는, 상기 전압 제어 발진기에서 출력되는 국부 발진 신호를 상기 위상 검출기에 피드백 하도록 구성된다.
일실시예에서, 상기 신호 생성부는, 상기 주파수 분주기를 이용하여 상기 국부 발진 신호의 주파수를 분주(divide)하여 중간 주파수 신호를 생성하고, 상기 직접 디지털 합성기를 이용하여 상기 중간 주파수 신호를 변조하여 상기 가변 주파수 신호를 제공하도록 구성된다.
일실시예에서, 상기 신호 생성부는, 위상 변환기를 이용하여 상기 가변 주파수 신호의 인페이즈(In-phase) 신호 및 쿼드러쳐(Quadrature) 신호를 제공하고, 혼합기를 이용하여 상기 인페이즈 신호, 상기 쿼드러쳐 신호, 및 상기 국부 발진 신호를 합성하여 상기 출력 신호를 제공하도록 구성된다.
일실시예에서, 상기 모드 잠금 루프는, 상기 펄스 레이저에 의해 광 펄스열을 생성하고, 상기 광섬유 브래그 회절 격자를 이용하여 상기 펄스 레이저에 의해 생성된 광 펄스열로부터 제1 파장 성분 및 제2 파장 성분을 추출하고, 상기 마이켈슨 간섭계를 이용하여 상기 제1 파장 성분 및 상기 제2 파장 성분이 결합된 신호로부터 간섭 신호를 획득하고, 상기 간섭 신호에 기초하여 상기 펄스 레이저에 피드백 신호를 제공하도록 구성된다.
일실시예에서, 상기 모드 잠금 루프는, 상기 제1 파장 성분 및 제2 파장 성분을 추출하기 위하여 상기 펄스 레이저에 의해 생성된 광 펄스열을 서큘레이터 및 하나 이상의 밴드패스 필터에 통과시켜 상기 펄스 레이저에 의해 생성된 광 펄스열의 제1 파장 성분 또는 제2 파장 성분을 반사시키도록 구성된다.
도 1은 일실시예에 따른 레이더 신호원 제공 장치의 일부를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 2는 일실시예에 따른 마이켈슨 간섭계의 일부를 예시적으로 보여주는 도면이다.
도 3은 일실시예에 따른 광섬유 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기의 구조를 예시적으로 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일실시예에 따른 레이더 신호원 제공 방법의 실험 결과에 대하여 설명하기 위한 그래프이다.
도 5는 일실시예에 따른 레이더 신호원 제공 방법의 실험 결과에 대하여 설명하기 위한 그래프이다.
도 6은 일실시예에 따른 레이더 신호원 제공 방법의 실험 결과에 대하여 설명하기 위한 그래프이다.
도 7은 일실시예에 따른 레이더 신호원 제공 방법의 실험 결과에 대하여 설명하기 위한 그래프이다.
실시예들에 대한 특정한 구조적 또는 기능적 설명들은 단지 예시를 위한 목적으로 개시된 것으로서, 다양한 형태로 변경되어 실시될 수 있다. 따라서, 실시예들은 특정한 개시형태로 한정되는 것이 아니며, 본 명세서의 범위는 기술적 사상에 포함되는 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.
제1 또는 제2 등의 용어를 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 이런 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 해석되어야 한다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소는 제1 구성요소로도 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설명된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함으로 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하에서, 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 그러나, 권리범위는 이러한 실시예들에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 일실시예에 따른 레이더 신호원 제공 장치의 일부를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도시된 레이더 신호원 제공 장치를 이용하여, 초저잡음 X 밴드 주파수 신호를 제공할 수 있다.
일실시예에서, 레이더 신호원 제공 장치는 모드 잠금 루프, 위상 잠금 루프, 및 신호 생성부를 포함할 수 있다. 여기서, 모드 잠금 루프는 모드 잠금 레이저(110), 커플러(120), 서큘레이터(130), 제1 밴드패스 필터(141), 제2 밴드패스 필터(142), 마이켈슨 간섭계(Michelson interferometer)(150), 피드백 제어부(160)를 포함할 수 있다. 또한, 위상 잠금 루프는 위상 검출기(171) 및 전압 제어 발진기(172)를 포함할 수 있다. 또한, 신호 생성부는 주파수 분주기(frequency divider)(181), 직접 디지털 합성기(Direct Digital Synthesizer)(182), 위상 변환부(Phase Shifter)(183) 및 혼합기(184)를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 모드 잠금 레이저(110)는 일정한 주기를 가지고 지속적으로 발생하는 광 펄스를 포함하는 광 펄스열을 생성한다. 모드 잠금 레이저(110)는 펨토초 스케일의 매우 짧은 광 펄스를 일정한 주기를 가지고 지속적으로 발생시키는 펨토초 레이저일 수 있다.
일실시예에서, 모드 잠금 레이저(110)에 의해 생성된 광 펄스열은 커플러(120)로 보내진다. 커플러(120)는 입력된 광 펄스열을 서큘레이터(130)로 가이드한다. 또한, 서큘레이터(130)는 커플러(120)로부터 입력된 광 펄스열을 광섬유 브래그 회절 격자(141, 142)로 가이드하고 밴드패스 필터(141, 142)로부터 입력된 신호는 마이켈슨 간섭계(150)로 가이드한다.
일실시예에서, 밴드패스 필터(141, 142)는 광 펄스열의 광 주파수 빗(optical frequency combs)의 두 가지 모드에 각각 대응하는 제1 파장 성분(λ1) 또는 제2 파장 성분(λ2)만을 반사시켜 다시 서큘레이터(130)로 보낼 수 있다. 예를 들어, 제1 밴드패스 필터(141)는 제1 파장 성분(λ1)을 반사시키고 나머지 파장 성분은 통과시킬 수 있고, 제2 밴드패스 필터(142)는 제2 파장 성분(λ2)을 반사시키고 나머지 파장 성분은 통과시킬 수 있다. 이와 같은 구성을 통해 광 주파수 빗의 두 가지 모드가 각각 예를 들어 2 nm 정도의 좁은 선폭(linewidth)으로 추출될 수 있다. 상기 밴드패스 필터(141, 142)는 예시적으로 그러나 한정되지 않게 광섬유 브래그 회절 격자(Fiber Bragg Gratings)일 수 있다. 즉, 예를 들어 제1 광섬유 브래그 회절 격자(141)와 제2 광섬유 브래그 회절 격자(142)로 구성될 수 있다.
커플러(120), 서큘레이터(130) 및 밴드패스 필터(141, 142)의 구체적 연결 및 배치는 도시된 예로 제한되지 않으며, 하나 이상의 밴드패스 필터를 이용하여 유사한 기능을 수행하도록 구현될 수 있다.
일실시예에서, 서큘레이터(130)는 밴드패스 필터를 통과한 신호의 증폭을 위하여 어븀 첨가 광섬유 증폭기(Erbium doped fiber amplifier; EDFA)를 추가로 구비할 수 있다. 광 펄스열의 제1 파장 성분(λ1) 및 제2 파장 성분(λ2)은 파장 필터링 과정에서 출력이 약해질 수 있으므로, 마이켈슨 간섭계 (150)에 신호를 보내기 전에 어븀 첨가 광섬유 증폭기를 이용하여 신호를 증폭시킬 수 있다.
일실시예에서, 마이켈슨 간섭계(150)는 증폭된 신호를 레퍼런스 암(reference arm)과 딜레이 암(delay arm)으로 각각 가이드하고 딜레이 암의 신호를 지연시키고 주파수를 미리 결정된 무선 주파수 fm 만큼 시프트한 후, 레퍼런스 암의 신호와 서로 간섭시켜 간섭 신호를 출력할 수 있다. 간섭 발생 시, 서로 상이한 경로를 지나온 각 파장 성분 간의 위상 차이가 광 세기 정보로 변환된다. 이러한 방식으로 각 파장 성분 별로 간섭이 발생한 간섭 신호가 출력된다. 마이켈슨 간섭계(150)에 대하여는 아래에서 도 2를 참조하여 더 상세하게 설명된다.
일실시예에서, 간섭 신호는 피드백 제어부(160)에 보내지며 피드백 제어부(160)는 간섭 신호로부터 반복률 위상 잡음을 추출하여 모드 잠금 레이저(110)에 피드백을 제공할 수 있다.
일실시예에서, 커플러(120)는 피드백 제어를 통해 안정화된 광 펄스열을 위상 검출기(171)로 가이드할 수 있다. 위상 검출기(171)는 출력되는 신호를 전압 제어 발진기(172)에 제공하여 전압 제어 발진기(172)가 레이더 신호 생성의 기준이 되는 국부 발진(Local Oscillation) 신호를 생성하도록 할 수 있다. 상기 전압 제어 발진기(172)는 예시적으로 유전체 공진 발진기로 구현될 수 있다. 또한, 전압 제어 발진기(172)에서 출력되는 국부 발진 신호를 위상 검출기(172)에 피드백 함으로써 위상 잠금 루프가 구성된다. 위상 검출기(172)의 예시적인 구조 및 동작에 대하여는 아래에서 도 3을 참조하여 보다 자세하게 설명된다.
일실시예에서, 주파수 분주기(181)는 전압 제어 발진기(172)에서 출력되는 국부 발진 신호의 주파수를 분주(divide)하여 중간 주파수 신호를 생성할 수 있다. 예를 들어, 국부 발진 신호의 주파수가 10 GHz인 경우, 중간 주파수 신호는 국부 발진 신호의 주파수의 4분의 1에 해당하는 2.5 GHz 의 주파수를 가질 수 있다.
일실시예에서, 직접 디지털 합성기(182)는 중간 주파수 신호를 변조하여 가변 주파수 신호를 제공할 수 있다. 예를 들어, 중간 주파수 신호의 주파수가 2.5 GHz인 경우, 가변 주파수 신호는 0 내지 1 GHz 의 주파수를 가질 수 있다.
일실시예에서, 위상 변환부(183)는 가변 주파수 신호의 인페이즈(In-phase) 신호 및 쿼드러쳐(Quadrature) 신호를 제공할 수 있다. 예를 들어, 가변 주파수 신호가 0 내지 1 GHz 의 ω라는 주파수를 가지는 신호라고 하면, 위상 변환부(183)는 인페이즈 신호에 대응하는 cos(ωt) 및 쿼드러쳐 신호에 대응하는 cos(ωt + 90˚)를 각각 제공하여 혼합기(184)에서 국부 발진 신호와의 복합적 변조를 통해 원하는 주파수의 신호를 출력하도록 할 수 있다.
일실시예에서, 혼합기(184)는 인페이즈 신호, 쿼드러쳐 신호, 및 국부 발진 신호를 합성하여 레이더 시스템의 신호원으로서 제공될 수 있는 출력 신호를 생성할 수 있다. 상기 출력 신호는 예시적으로 X-밴드 신호일 수 있다.
도 2는 일실시예에 따른 마이켈슨 간섭계의 일부를 예시적으로 보여주는 도면이다. 도 2에 도시된 마이켈슨 간섭계는 예를 들어 도 1의 레이더 신호원 제공 장치의 구현에 이용될 수 있다.
일실시예에 따른 마이켈슨 간섭계는 커플러(210), 패러데이 회전자 거울(Faraday rotator mirror; FRM)(220, 270), 광섬유 지연 라인(230), 지연 제어 유닛(240), 광섬유 스트레처(250), 음향 광학 주파수 변조기(acousto-optic frequency shifter; AOFS)(260)를 포함할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 마이켈슨 간섭계는 두 개의 상이한 광 경로를 포함할 수 있다. 예를 들어, 패러데이 회전자 거울(220)을 포함하는 레퍼런스 암(reference arm)과 광섬유 지연 라인(230), 지연 제어 유닛(240), 광섬유 스트레처(250), 음향 광학 주파수 변조기(260) 및 패러데이 회전자 거울(270)을 포함하는 딜레이 암(delay arm)을 포함할 수 있다.
일실시예에서, 커플러(210)는 입력 신호를 레퍼런스 암과 딜레이 암으로 나누어 가이드할 수 있다. 예를 들어, 50:50 커플러를 통해 입력 신호를 레퍼런스 암과 딜레이 암으로 나누어 가이드할 수 있다.
일실시예에서, 마이켈슨 간섭계의 레퍼런스 암은 그 길이가 예를 들어 1 m 이하로 짧게 구성될 수 있고, 광 경로의 끝에 패러데이 회전자 거울(220)이 배치되는 형태로 구현될 수 있다.
일실시예에서, 마이켈슨 간섭계의 딜레이 암은 예를 들어 100 m 수준의 길이를 가지는 광섬유 스풀(spool)을 포함하는 광섬유 지연 라인(230), 색 분산으로 인한 주파수 모드 별 시간 차이를 보상하기 위한 지연 제어 유닛(240), 지연 잠금 루프의 피드백 제어를 위한 광섬유 스트레처(250) 및 주파수를 시프트할 수 있는 음향 광학 주파수 변조기(260)로 구성될 수 있고, 광 경로의 끝에 패러데이 회전자 거울(220)이 배치되는 형태로 구현될 수 있다.
광섬유 지연 라인(230)에 단일 모드 광섬유가 이용되는 경우, 광섬유에서 발생하는 색 분산으로 인해 주파수 모드 별 시간 차이가 발생할 수 있는데, 이를 보상하기 위하여 통상적으로 분산 보상 광섬유가 많이 이용된다. 그러나, 펄스 레이저의 잡음 레벨에 따라 광섬유 지연 라인(230)의 길이를 조정하는 경우 분산 보상 광섬유의 길이도 조정이 되어야 하므로, 매번 조정된 분산 보상 광섬유를 구비하는 것은 어렵고 비용이 많이 소모된다.
따라서, 지연 제어 유닛(240)은 파장 분할 다중화기(wavelength division multiplexer; WDM) 및 모터 딜레이 라인(motorized delay line)을 이용하여 분산 보상 광섬유를 대체하도록 구성될 수 있다.
음향 광학 주파수 변조기(260)는 딜레이 암의 신호의 주파수를 시프트할 수 있다. 예를 들어, 딜레이 암의 신호의 주파수를 미리 결정된 무선 주파수 fm 만큼 높일 수 있다. 일실시예에서, 주파수를 시프트시키기 위하여 무선 주파수 소스가 이용될 수 있다.
레퍼런스 암 및 딜레이 암을 각각 진행한 신호들이 간섭을 일으키기 위해서는 양 경로의 신호가 서로 동일한 편광 상태를 유지해야 한다. 이를 위하여, 레퍼런스 암 및 딜레이 암 각각의 끝에는 패러데이 회전자 거울(220, 270)이 배치된다. 패러데이 회전자 거울의 배치에 의해 레퍼런스 암 및 딜레이 암을 진행한 후 커플러(210)로 되돌아온 양 경로의 신호는 서로 동일한 편광 상태를 유지한다. 따라서, 커플러(210)에서 양 경로의 신호를 동일한 경로로 가이드하여 간섭을 일으키도록 할 수 있다.
도 3은 일실시예에 따른 광섬유 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기의 구조를 예시적으로 설명하기 위한 도면이다. 예를 들어, 도 1의 위상 검출기(171)는 도 3에 도시된 광섬유 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(300)를 포함할 수 있다.
일실시예에서, 위상 검출기(300)는 서큘레이터(310), 커플러(320), 위상 변조기(330), 비가역 사분파장 바이어스(340), 균형 광 검출기(350)를 포함할 수 있다.
서큘레이터(310)는 레이저를 통해 입력되는 광 펄스 열을 순환시키는 역할을 수행한다. 여기서, 서큘레이터로(310)로 입력되는 광 펄스는 모드 잠금된(mode-locked) 레이저로부터 발생될 수 있다. 상기 광 펄스의 편광 상태는 편광 제어기에 의해 편광자의 출력 부분에 구비되는 편광 유지 광섬유의 광축에 맞도록 조절될 수 있다.
커플러(320)는 서큘레이터(310)를 통해 입력된 광 펄스열의 파워를 반으로 나누어 제1 광 펄스열 및 제2 광 펄스열을 생성한다. 커플러(310)를 통과한 제1 광 펄스열 및 제2 광 펄스열은 각각 루프의 반대방향으로 진행되며, 제1 광 펄스열 및 제2 광 펄스열이 루프를 순환하여 커플러에서 다시 합쳐질 때 발생하는 간섭 현상을 이용하여 위상 차이에 대한 정보를 광 세기 차이에 대한 정보로 변환한다.
루프는 도 3에 도시된 바와 같이 커플러(310), 위상 변조기(330) 및 비가역 사분파장 바이어스(340)를 포함하는 사냑 루프 간섭계일 수 있다. 이 경우, 위상 변조기(330)는 광 펄스열과 RF/마이크로파를 입력 받아 RF/마이크로파의 전압에 비례하여 제1 광 펄스열의 위상을 변조한다. 비가역 사분파장 바이어스(340)는 제1 광 펄스열의 위상을 사분파장만큼 변화시키고 제2 광 펄스열의 위상은 그대로 유지시킬 수 있다.
균형 광 검출기(350)는 광 세기 차이에 대한 정보를 전기 신호로 변환함으로써 광 펄스열과 RF 신호원 간의 타이밍 오차에 해당하는 전기 신호를 검출한다.
이러한 구조의 광섬유 루프 기반 광-마이크로파 위상 검출기(300)를 이용하는 경우 기존의 직접 광 검출법에 따른 위상차 측정 방식에 비하여 저주파 성능이 훨씬 우수하고, 기존의 균형 광-마이크로파 위상 검출 방식이 특정한 입력 주파수에서만 사용이 가능하던 것과 달리 임의의 주파수에 대하여 사용이 가능하다는 장점이 있다.
도 4는 일실시예에 따른 레이더 신호원 제공 방법의 실험 결과에 대하여 설명하기 위한 그래프이다. 도 4 내지 도 7은 제안되는 레이더 신호원 제공 방법이 실제 레이더 시스템에서 적합하게 활용될 수 있음을 보여준다.
구체적으로, 도 4는 일실시예에 따른 레이더 신호원 제공 방법에서 직접 주파수 합성기에 의한 주파수 스위칭에 따른 위상 오차를 측정한 결과이다. 또한, 도 5는 직접 주파수 합성기의 주파수를 500 MHz 에서 1 GHz 까지 10 MHz 단위로 10 ns 마다 변경시킨 경우의 선형 주파수 변조 신호(Linear Frequency modulated signal)를 나타내며, 도 6은 도 5의 선형 주파수 변조 신호에 대한 자기상관 신호를 나타낸다. 도 4 내지 도 6에 나타난 결과를 참고할 때 135 pHz 수준의 주파수 튜닝 분해능과 135 ns 이내의 주파수 스위칭 시간을 구현할 수 있으며, 따라서 대부분의 첨단 통신 시스템에 적합한 성능을 보여준다.
한편, 도 7은 실시예에 따른 레이더 신호원 제공 방법의 SSB(single-sideband) 위상 잡음을 나타낸 그래프이다. 제안되는 레이더 신호원 제공 방법에 따른 실험 결과(710)가 일반적인 크리스털 기반 신호원(720) 또는 최상의 크리스털 기반 신호원(730)에 비하여 월등하게 우수한 위상 잡음 성능을 가진다는 것을 확인할 수 있으며, 최고 성능 RF 신호원 중 하나인 OEO(Opto-Electronic Oscillator)(740)에 비하여 유사하거나 더 우수한 위상 잡음 성능을 가진다는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 광통신 시스템에서 활용되는 광섬유 광학 기술만을 이용하여 모드 잠금 루프 및 위상 잠금 루프를 구현함으로써 매우 우수한 위상 잡음 성능 및 주파수 튜닝 성능을 가지는 레이더 신호원을 기존의 고성능 RF 신호원에 비하여 낮은 비용으로 제공 가능하다.
이상에서 설명된 실시예들은 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치, 방법 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPGA(field programmable gate array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다. 그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (16)

  1. 펄스 레이저, 마이켈슨 간섭계, 및 밴드패스 필터(Bandpass Filter)를 이용하여 안정화된 광 펄스열 신호를 제공하는 단계;
    위상 검출기, 및 전압 조정 발진기(Voltage Controlled Oscillator)를 이용하여, 상기 안정화된 광 펄스열 신호를 변조하여 국부 발진(Local Oscillation) 신호를 생성하는 단계;
    주파수 분주기 및 직접 디지털 합성기를 이용하여 상기 국부 발진 신호를 변조시킨 가변 주파수 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 국부 발진 신호와 상기 가변 주파수 신호를 이용하여 출력 신호를 생성하는 단계
    를 포함하고,
    상기 국부 발진 신호를 생성하는 단계는,
    상기 안정화된 광 펄스열 신호의 크기를 변조하여 제1 광 펄스열 신호 및 제2 광 펄스열 신호를 생성하는 단계;
    RF 신호에 기초하여 상기 제1 광 펄스열 신호의 위상을 변조하는 단계;
    상기 위상이 변조된 제1 광 펄스열 신호와 상기 제2 광 펄스열 신호 간의 위상 차이에 기초하여 상기 안정화된 광 펄스열 신호와 상기 RF 신호 간의 타이밍 오차를 검출하는 단계; 및
    상기 타이밍 오차에 해당하는 전기 신호에 기초하여 상기 국부 발진 신호를 생성하는 단계
    를 포함하는, 레이더 신호원 제공 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 국부 발진 신호를 생성하는 단계는,
    상기 전압 조정 발진기에서 출력되는 국부 발진 신호를 상기 위상 검출기에 피드백 하는 단계를 더 포함하는, 레이더 신호원 제공 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가변 주파수 신호를 생성하는 단계는,
    상기 주파수 분주기를 이용하여 상기 국부 발진 신호의 주파수를 분주(divide)하여 중간 주파수 신호를 생성하는 단계; 및
    상기 직접 디지털 합성기를 이용하여 상기 중간 주파수 신호를 변조하여 상기 가변 주파수 신호를 제공하는 단계
    를 포함하는, 레이더 신호원 제공 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 출력 신호를 생성하는 단계는,
    위상 변환기를 이용하여 상기 가변 주파수 신호의 인페이즈(In-phase) 신호 및 쿼드러쳐(Quadrature) 신호를 제공하는 단계; 및
    혼합기를 이용하여 상기 인페이즈 신호, 상기 쿼드러쳐 신호, 및 상기 국부 발진 신호를 합성하여 상기 출력 신호를 제공하는 단계
    를 포함하는, 레이더 신호원 제공 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 안정화된 광 펄스열 신호를 제공하는 단계는,
    상기 펄스 레이저에 의해 광 펄스열을 생성하는 단계;
    상기 밴드패스 필터를 이용하여 상기 펄스 레이저에 의해 생성된 광 펄스열로부터 제1 파장 성분 및 제2 파장 성분을 추출하는 단계;
    상기 마이켈슨 간섭계를 이용하여 상기 제1 파장 성분 및 상기 제2 파장 성분이 결합된 신호로부터 간섭 신호를 획득하는 단계; 및
    상기 간섭 신호에 기초하여 상기 펄스 레이저에 피드백 신호를 제공하는 단계
    를 포함하는, 레이더 신호원 제공 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 추출하는 단계는,
    상기 펄스 레이저에 의해 생성된 광 펄스열을 서큘레이터 및 하나 이상의 밴드패스 필터에 통과시켜 상기 펄스 레이저에 의해 생성된 광 펄스열의 제1 파장 성분 또는 제2 파장 성분을 반사시키는 단계
    를 포함하는, 레이더 신호원 제공 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 간섭 신호를 획득하는 단계는,
    상기 결합된 신호를 상기 마이켈슨 간섭계의 레퍼런스 암(reference arm)과 딜레이 암(delay arm)으로 각각 가이드하고, 상기 레퍼런스 암의 출력 신호와 상기 딜레이 암의 출력 신호를 서로 간섭시키는 단계
    를 포함하는, 레이더 신호원 제공 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 딜레이 암은 광섬유 지연 라인, 지연 제어 유닛, 광섬유 스트레처, 음향 광학 주파수 변조기 및 패러데이 회전자 거울을 포함하는, 레이더 신호원 제공 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 지연 제어 유닛은,
    상기 결합된 신호를 파장에 따라 분리하여 가이드하는 하나 이상의 파장 분할 다중화기; 및
    상기 결합된 신호의 제2 파장 성분만을 추가로 지연시키는 모터 딜레이 라인
    을 포함하는, 레이더 신호원 제공 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 기재된 레이더 신호원 제공 방법을 실행하는 프로그램을 수록한 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체.
  11. 펄스 레이저, 마이켈슨 간섭계, 및 밴드패스 필터(Bandpass Filter)를 이용하여 안정화된 광 펄스열 신호를 제공하는 모드 잠금 루프;
    위상 검출기, 및 전압 조정 발진기(Voltage Controlled Oscillator)를 이용하여, 상기 안정화된 광 펄스열 신호를 변조하여 국부 발진(Local Oscillation) 신호를 생성하는 위상 잠금 루프; 및
    주파수 분주기 및 직접 디지털 합성기를 이용하여 상기 국부 발진 신호를 변조시킨 가변 주파수 신호를 생성하고, 상기 국부 발진 신호와 상기 가변 주파수 신호를 이용하여 출력 신호를 생성하는 신호 생성부
    를 포함하고,
    상기 위상 잠금 루프는 상기 안정화된 광 펄스열 신호의 크기를 변조하여 제1 광 펄스열 신호 및 제2 광 펄스열 신호를 생성하고, RF 신호에 기초하여 상기 제1 광 펄스열 신호의 위상을 변조하고, 상기 위상이 변조된 제1 광 펄스열 신호와 상기 제2 광 펄스열 신호 간의 위상 차이에 기초하여 상기 안정화된 광 펄스열 신호와 상기 RF 신호 간의 타이밍 오차를 검출하고, 상기 타이밍 오차에 해당하는 전기 신호에 기초하여 상기 국부 발진 신호를 생성하는, 레이더 신호원 제공 장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 위상 잠금 루프는,
    상기 전압 조정 발진기에서 출력되는 국부 발진 신호를 상기 위상 검출기에 피드백 하도록 구성되는, 레이더 신호원 제공 장치.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 신호 생성부는,
    상기 주파수 분주기를 이용하여 상기 국부 발진 신호의 주파수를 분주(divide)하여 중간 주파수 신호를 생성하고, 상기 직접 디지털 합성기를 이용하여 상기 중간 주파수 신호를 변조하여 상기 가변 주파수 신호를 제공하도록 구성되는, 레이더 신호원 제공 장치.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 신호 생성부는,
    위상 변환기를 이용하여 상기 가변 주파수 신호의 인페이즈(In-phase) 신호 및 쿼드러쳐(Quadrature) 신호를 제공하고, 혼합기를 이용하여 상기 인페이즈 신호, 상기 쿼드러쳐 신호, 및 상기 국부 발진 신호를 합성하여 상기 출력 신호를 제공하도록 구성되는, 레이더 신호원 제공 장치.
  15. 제11항에 있어서,
    상기 모드 잠금 루프는,
    상기 펄스 레이저에 의해 광 펄스열을 생성하고, 상기 밴드패스 필터를 이용하여 상기 펄스 레이저에 의해 생성된 광 펄스열로부터 제1 파장 성분 및 제2 파장 성분을 추출하고, 상기 마이켈슨 간섭계를 이용하여 상기 제1 파장 성분 및 상기 제2 파장 성분이 결합된 신호로부터 간섭 신호를 획득하고, 상기 간섭 신호에 기초하여 상기 펄스 레이저에 피드백 신호를 제공하도록 구성되는, 레이더 신호원 제공 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 모드 잠금 루프는,
    상기 제1 파장 성분 및 제2 파장 성분을 추출하기 위하여 상기 펄스 레이저에 의해 생성된 광 펄스열을 서큘레이터 및 하나 이상의 밴드패스 필터에 통과시켜 상기 펄스 레이저에 의해 생성된 광 펄스열의 제1 파장 성분 또는 제2 파장 성분을 반사시키도록 구성되는, 레이더 신호원 제공 장치.
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