KR100527110B1 - Millimeter wave generator based on the interferometer and optical detecting device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무선 통신에서 요구되는 고주파 신호발생을 위한 밀리미터파 발진기에 대한 것으로, 고주파수를 가지는 밀리미터파 대역의 신호를 발생시키기 위해 일정위상 관계를 갖는 두 파장이 생성되도록 간섭계와 광 검출기를 이용하여 밀리미터파 발진기를 제공한다. 이로써, 위상 잠금을 위한 신호 처리 없이 보다 쉽게 밀리미터파 광원을 얻을 수 있는 효과가 있다.The present invention relates to a millimeter wave oscillator for generating a high frequency signal required in wireless communication, and to generate a millimeter wave band signal having a high frequency by using an interferometer and an optical detector to generate two wavelengths having a certain phase relationship. Provide a wave oscillator. As a result, the millimeter wave light source can be easily obtained without signal processing for phase locking.
Description
본 발명은 간섭계와 광 검출기를 이용한 밀리미터파 발진기에 관한 것으로, 특히 고주파수를 가지는 밀리미터파 대역의 신호를 발생시키기 위해 광원으로부터 일정 위상 관계를 갖는 두 파장을 생성하도록 하는 간섭계와 광 검출기를 이용한 밀리미터파 발진기에 관한 것이다.The present invention relates to a millimeter wave oscillator using an interferometer and a photo detector, and in particular, a millimeter wave using an interferometer and a photo detector to generate two wavelengths having a certain phase relationship from a light source to generate a millimeter wave band signal having a high frequency. It's about an oscillator.
일반적으로 두 개의 광원을 사용하여 밀리미터파(수십 GHz 이상의 주파수)를 발생 시키는 경우, 두 광원 사이에 위상이 상관성(correlation)이 적으므로 맥놀이 현상이 일어나는 경우 맥놀이 주파수 주위로 위상 잡음이 생긴다. 그러므로 이의 위상 잡음을 줄이기 위해 두 광원 간에 전기적인 귀환회로나 광학적인 귀환회로를 구성하여 두 광원 사이에 위상 잠금이 되도록 하였다. In general, when two light sources are used to generate a millimeter wave (frequency of several tens of GHz or more), the phase is not correlated between the two light sources, so when a beat occurs, phase noise occurs around the beat frequency. Therefore, in order to reduce its phase noise, an electric feedback circuit or an optical feedback circuit was constructed between the two light sources to provide a phase lock between the two light sources.
R.W. Lodenkamper, et.al.는 "TRW Inc.Stabilization of injection locking of cw lasers"라는 발명의 명칭을 가지는 미국특허 US6,359,913에서, 위상이 변조된 주 레이저의 신호가 종 레이저로 삽입되어 삽입된 신호의 주파수가 종 레이저의 free running 주파수에 근접하게 되면 주 레이저의 신호는 종 레이저의 출력을 포획하게 되고, 종 레이저의 출력 스펙트럼은 삽입된 주파수에서 출력하는 레이저의 주입 잠금 시스템를 개시하였다. R.W. Lodenkamper, et.al., in US Pat. No. 6,359,913, entitled “TRW Inc. Stabilization of injection locking of cw lasers”, shows that a signal of a phase-modulated main laser is inserted into a longitudinal laser to When the frequency approaches the free running frequency of the slave laser, the signal of the main laser captures the output of the slave laser and the output spectrum of the slave laser initiates the injection locking system of the laser outputting at the inserted frequency.
또한, Masahiro ogusu등은 주 광원으로 DFB 레이저 다이오드를 사용하여 외부적으로 7~30 GHz변조를 주어 circulator를 거쳐 60 GHz 주파수 차 간격으로 모드가 발진하는 페브리-페롯 레이저 다이오드에 삽입한다. 변조된 주 광원은 30 GHz 간격으로 조화파들이 발생이 되어, 페브리-페롯 다이오드의 두개의 모드에 근접할 때 2개 모드의 주파수를 잠근다. In addition, Masahiro ogusu et al. Use DFB laser diode as the main light source to externally modulate 7 ~ 30 GHz and insert it through the circulator into the Fabry-Perot laser diode that oscillates at 60 GHz frequency difference. The modulated main light source generates harmonics at 30 GHz intervals, locking the frequencies of the two modes when approaching the two modes of the Fabry-Perot diode.
상술한 바와 같이 위상잡음을 줄이기 위해 두 광원 사이에 위상 잠금을 실시하여야 하고 이로써 복잡한 광학적, 전기적 장치가 필요한 단점이 있었다.As described above, in order to reduce phase noise, phase locking must be performed between two light sources, which requires a complicated optical and electrical device.
상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 상기와 같이 발생되는 위상 잡음을 줄이기 위해 외부적인 신호처리나 두 광원간의 위상 잠금을 위한 광학적, 전기적인 장치 없이 간섭계와 필터를 이용하여 위상이 일정한 두 개의 파장을 갖는 빛을 발생시켜 두 빛의 주파수 차에 해당하는 맥놀이 주파수를 검출기를 이용하여 얻는데 있다. In order to solve the above problems, an object of the present invention is to use an interferometer and a filter without an external signal processing or optical and electrical device for phase locking between two light sources to reduce the phase noise generated as described above. By generating light with two wavelengths with a constant phase, a beat frequency corresponding to the frequency difference between the two lights is obtained by using a detector.
상기와 같은 목적을 이루기 위하여 본 발명의 일 측면은 소정 선폭을 갖는 광 신호를 발생시키는 광원; 상기 광원으로부터 출력되는 상기 광 신호를 원하는 밀리미터파에 대응되는 주파수 차를 갖는 두 파장에서 보강 간섭을 일으키기 위한 간섭계; 및 상기 간섭계로부터 출력된 간섭 신호를 검출하는 광 검출기를 포함하는 간섭계와 광 검출기를 이용한 밀리미터파 발진기를 제공한다. 한편, 광원과 상기 간섭계 사이에 투과대역필터를 추가적으로 포함가능하다. One aspect of the present invention to achieve the above object is a light source for generating an optical signal having a predetermined line width; An interferometer for causing constructive interference at two wavelengths having a frequency difference corresponding to a desired millimeter wave of the optical signal output from the light source; And it provides a millimeter wave oscillator using an interferometer and an optical detector comprising a photo detector for detecting the interference signal output from the interferometer. Meanwhile, a transmission band filter may be additionally included between the light source and the interferometer.
본 발명의 다른 측면은 소정 선폭을 갖는 광 신호를 발생시키는 광원; 상기 광원에 연결된 방향성 결합기 및 미세 격자로서, 상기 방향성 결합기의 하나의 포트로는 상기 광 신호를 상기 미세 격자로 입사 시키고, 다른 포트로는 상기 미세 격자로부터 반사된 광 신호를 결합시키는 방향성 결합기 및 미세격자; 상기 방향성 결합기에 연결되어 상기 결합된 광 신호를 입력받아 원하는 밀리미터파에 대응되는 주파수 차를 갖는 두 파장에서 보강 간섭을 일으키기 위한 간섭계; 및 상기 간섭계로부터 출력된 간섭 신호를 검출하는 광 검출기를 포함하는 간섭계와 광 검출기를 이용한 밀리미터파 발진기를 제공한다.Another aspect of the invention is a light source for generating an optical signal having a predetermined line width; A directional coupler and a fine grating connected to the light source, one port of the directional coupler injecting the optical signal into the fine grating, and the other port of the directional coupler and fine grating to combine the optical signals reflected from the fine grating. grid; An interferometer connected to the directional coupler for receiving constructive interference at two wavelengths having a frequency difference corresponding to a desired millimeter wave by receiving the combined optical signal; And it provides a millimeter wave oscillator using an interferometer and an optical detector comprising a photo detector for detecting the interference signal output from the interferometer.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시 예는 이 기술 분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시 예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following embodiments are provided to those skilled in the art to fully understand the present invention can be modified in various forms, the scope of the present invention is limited to the embodiments described below It is not.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 밀리미터파 발진기(1)의 개략적인 구성도이다. 본 밀리미터파 발진기는 광원(10), 대역투과 필터(20), 간섭계(30) 및 광 검출기(40)를 포함하여 구성된다.1 is a schematic diagram of a millimeter wave oscillator 1 according to an exemplary embodiment of the present invention. The millimeter wave oscillator includes a light source 10, a bandpass filter 20, an interferometer 30, and a photo detector 40.
광원(10)으로는 넓은 선폭, 예를 들어 수 nm,을 갖는 광원이 바람직하고, 발광 다이오드(LED), SLD(super luminescent diode) 또는 레이저 다이오드(LD)를 이용할 수 있다.As the light source 10, a light source having a wide line width, for example, several nm, is preferable, and a light emitting diode (LED), a super luminescent diode (SLD), or a laser diode (LD) may be used.
투과대역필터(20)는 간섭계(30)에서 발생된 간섭 신호 중 파장영역에서 두 개의 간섭무늬만 발생시키기 위한 것으로, 투과 대역 필터(20)의 통과 대역은 밀리미터파의 주파수 양만큼 차이가 나는 두 파장이 통과할 수 있어야 한다. 따라서, 0.7~1nm 영역의 선폭을 갖는 광원을 채용하는 경우는 투과대역필터(20)는 사용하지 않을 수도 있다. 도 2는 본 발명의 실시예의 투과대역필터의 스펙트럼 특성의 일예를 나타내는 그래프이다. 예를 들어, 60 GHz의 고주파수인 경우 1530 nm가 중심 파장일 때 0.47 nm 간격을 가지며, 동시에 두 파장이 발진해야 하므로 3 dB 대역이 0.7 nm 정도인 것이 바람직하다.The transmission band filter 20 is for generating only two interference fringes in the wavelength region among the interference signals generated by the interferometer 30, and the pass band of the transmission band filter 20 differs by the amount of the frequency of the millimeter wave. The wavelength must be able to pass. Therefore, when employing a light source having a line width in the range of 0.7-1 nm, the transmission band filter 20 may not be used. 2 is a graph showing an example of spectral characteristics of a transmission band pass filter according to an embodiment of the present invention. For example, in the case of high frequency of 60 GHz, when 1530 nm is the center wavelength, it has a 0.47 nm interval, and it is preferable that the 3 dB band is about 0.7 nm because two wavelengths should be oscillated at the same time.
간섭계(30)는 마하젠더 유형 또는 페브리-페롯 유형이 가능하다. 간섭계(30)는 투과대역필터(20)의 통과 대역내의 파장 영역에서 2개의 보강 간섭이 일어나도록 광 경로차를 준다. 이 광 경로차는 두 간섭무늬 각각의 중심 파장에 대응하는 주파수의 차가 밀리미터파 신호의 주파수와 동일하도록 마하젠더 간섭계의 경우 다음의 관계에 의해 결정된다.Interferometer 30 may be a Mach-Zehnder type or a Fabry-Perot type. The interferometer 30 gives an optical path difference so that two constructive interferences occur in the wavelength region within the pass band of the transmission band filter 20. This optical path difference is determined by the following relationship in the case of a Mach-Zehnder interferometer so that the difference in frequency corresponding to the center wavelength of each of the two interference fringes is equal to the frequency of the millimeter wave signal.
(1) (One)
또한, 간섭계(30)로 페브리- 페롯 간섭계를 사용하여 구성될 경우 간섭계의 광 경로차는 다음의 식에 의해 주어진다.Further, when the interferometer 30 is constructed using a Fabry-Perot interferometer, the optical path difference of the interferometer is given by the following equation.
(2) (2)
간섭계(30)는 밀리미터파의 주파수만큼 차이가 나는 두 파장에서 보강 간섭이 일어나도록 광 경로차를 준다.The interferometer 30 gives the optical path difference so that constructive interference occurs at two wavelengths that differ by the frequency of the millimeter wave.
본 실시 예에서는 간섭계(30)를 통하여 보강 간섭된 두 빛을 발생시켜 맥놀이를 일으키는 경우 2개의 빛 간의 위상이 2π의 위상차를 가지므로 외부적으로 위상의 상관성이 많도록 주입 잠금 방법이나 귀환 회로를 구성할 필요가 없게 된다.In the present embodiment, when two beams of constructive interference are generated through the interferometer 30 and the beat is generated, the phase between the two lights has a phase difference of 2π. There is no need to configure it.
도 3은 본 발명의 실시 예에서 페브리-페롯(Fabry-Perot) 간섭계를 사용하는 경우 투과대역필터와 간섭계를 통과한 후 스펙트럼 영역에서의 출력의 모의 실험결과이다. 두 파장의 주파수 차(beat frequency)가 밀리미터파의 주파수와 같다. 한편, 마하젠더 간섭계가 광섬유 방향성 결합기로 구성될 때 2개의 방향성 결합기가 용융 접합되어 구성되는데, 이때 각각의 광섬유 방향성 결합기는 50:50의 결합률을 가진다. 또는 마하젠더 간섭계를 집적 광학소자로 구현하는 경우 간섭계의 광 경로는 (1)의 식을 만족하는 광 경로차를 주도록 설계한다. FIG. 3 is a simulation result of output in a spectral region after passing through a transmission band filter and an interferometer when using a Fabry-Perot interferometer according to an exemplary embodiment of the present invention. The beat frequency of the two wavelengths is equal to the frequency of the millimeter wave. On the other hand, when the Mach-Zehnder interferometer consists of an optical fiber directional coupler, two directional couplers are melt-bonded, wherein each optical fiber directional coupler has a coupling ratio of 50:50. Alternatively, when the Mach-Zehnder interferometer is implemented as an integrated optical device, the optical path of the interferometer is designed to give an optical path difference that satisfies the expression (1) .
광 검출기(40)는 간섭계(30)로부터 출력된 간섭 신호를 검출하는 것으로, 맥놀이 주파수를 전기적인 신호로 변환 시킬 수 있다. 광 검출기(40)는 밀리미터파 대역의 고주파수에서 반응성이 좋은 광 검출기(40)를 사용하는 것이 바람직하다. 한편, 광 검출기(40)의 전단부에는 간섭계(30)를 통과한 빛을 증폭하기 위한 광증폭기(미 도시)를 추가적으로 포함하는 것도 가능하다.The photo detector 40 detects an interference signal output from the interferometer 30 and can convert the beat frequency into an electrical signal. The photo detector 40 preferably uses a photo detector 40 that is responsive at high frequencies in the millimeter wave band. Meanwhile, the front end of the photo detector 40 may further include an optical amplifier (not shown) for amplifying the light passing through the interferometer 30.
다음으로, 도 1을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 밀리미터파 발진기(1)의 동작원리를 상세히 설명한다.Next, with reference to Figure 1 will be described in detail the operating principle of the millimeter wave oscillator (1) according to an embodiment of the present invention.
광원(10)으로부터 넓은 선폭을 갖는 광신호가 출력되어 투과대역필터(20)를 통과하면서 일정 대역만을 통과시키게 된다. 투과대역필터(2)를 채용하는 이유는 간섭계(30)에서 발생된 간섭 신호 중 파장영역에서 두 개의 간섭무늬만 발생시키기 위함이다. 투과 대역 필터(20)의 통과 대역은 밀리미터파의 주파수 양만큼 차이가 나는 두 파장이 통과하는 것이 바람직하다. An optical signal having a wide line width is output from the light source 10 to pass only a predetermined band while passing through the transmission band filter 20. The reason why the transmission band filter 2 is employed is to generate only two interference fringes in the wavelength region of the interference signals generated by the interferometer 30. The passband of the transmission band filter 20 preferably passes two wavelengths that differ by the amount of the millimeter wave.
투과대역필터(20)를 통과한 광 신호는 간섭계(30)를 통해 통과 대역 내 파장 영역에서 2개의 보강 간섭이 일어나도록 광 경로차를 준다. 광 검출기(40)는 간섭계(30)로부터 출력된 간섭 신호를 검출하는 것으로, 맥놀이 주파수를 전기적인 신호로 변환 시킨다. 이러한 방식으로, 본 실시 예에 따른 밀리미터파 발진기는 간섭계와 광 검출기를 이용하여 2개의 파장이 일정 위상 관계를 갖도록 구성할 수 있다.The optical signal passing through the transmission band filter 20 gives an optical path difference so that two constructive interferences occur in the wavelength region in the pass band through the interferometer 30. The photo detector 40 detects the interference signal output from the interferometer 30 and converts the beat frequency into an electrical signal. In this manner, the millimeter wave oscillator according to the present embodiment may be configured such that the two wavelengths have a predetermined phase relationship by using an interferometer and a photo detector.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 밀리미터파 발진기(100)의 개략적인 구성도이다. 밀리미터파 발진기(100)는 광원(110), 방향성 결합기(160)와 미세 격자(170), 간섭계(130) 및 광 검출기(140)를 포함하여 구성된다. 한편, 밀리미터파 발진기(100)에는 추가적으로 광 아이솔레이터(150) 또는 증폭기(180)가 포함될 수 있다. 이하, 설명의 편의를 위해 도 1의 밀리미터파 발진기와의 차이점을 기준으로 상세히 설명한다. 4 is a schematic diagram of a millimeter wave oscillator 100 according to another embodiment of the present invention. The millimeter wave oscillator 100 includes a light source 110, a directional coupler 160, a fine grating 170, an interferometer 130, and a photo detector 140. Meanwhile, the millimeter wave oscillator 100 may additionally include an optical isolator 150 or an amplifier 180. Hereinafter, for convenience of description, the detailed description will be made based on the difference from the millimeter wave oscillator of FIG. 1.
도 1의 투과 대역 필터 대신에 미세 격자(170)와 방향성 결합기(160)를 사용하였다. 바람직하게, 미세 격자(170)와 방향성 결합기(160)는 각각 광섬유 미세 브래그 격자와 광섬유 방향성 결합기이다. 방향성 결합기(160)의 경우 하나의 포트로는 미세 격자(170)로 빛을 입사 시키고, 다른 포트로는 미세 격자(170)로부터 반사된 빛을 결합시켜 간섭계(130)로 보낸다. 한편, 방향성 결합기(160)는 50:50 결합효율을 이용하는 것이 바람직하다. Instead of the transmission band filter of FIG. 1, a fine grating 170 and a directional coupler 160 were used. Preferably, the fine grating 170 and the directional coupler 160 are each an optical fiber fine Bragg grating and an optical fiber directional coupler. In the case of the directional coupler 160, light is incident on the fine grating 170 through one port, and the light reflected from the fine grating 170 is coupled to the other port and sent to the interferometer 130. Meanwhile, the directional coupler 160 preferably uses 50:50 coupling efficiency.
밀리미터파 발진기(100)는 투과 대역 필터 대신 방향성 결합기(160)와 미세 격자(170)를 이용하여 구성될 수 있다. 광원(110)에서 출력된 빛은 광 아이솔레이터(150)를 통과시킨다. 광 아이솔레이터(150)는 미세 격자(170)에서 광원(110)으로 되 반사되는 것을 막기 위해 구성된다. 방향성 결합기(160)에 접속된 미세 격자(170)에서 반사되어 나온 빛은 다시 방향성 결합기(160)를 통해 간섭계(130)로 입력된다. 증폭기(180)는 간섭계(130)를 통과한 빛을 증폭하기 위해 추가적으로 이용될 수 있다. The millimeter wave oscillator 100 may be configured using the directional coupler 160 and the fine grating 170 instead of the transmission band pass filter. Light output from the light source 110 passes through the optical isolator 150. The optical isolator 150 is configured to prevent reflection from the fine grating 170 back to the light source 110. Light reflected from the fine grating 170 connected to the directional coupler 160 is input to the interferometer 130 through the directional coupler 160. The amplifier 180 may additionally be used to amplify the light passing through the interferometer 130.
이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.The present invention described above is not limited to the above-described embodiments and the accompanying drawings, and various substitutions, modifications, and changes are possible in the technical field of the present invention without departing from the technical spirit of the present invention. It will be clear to those of ordinary knowledge.
상기와 같이 이루어지는 본 발명의 효과는 밀리미터파의 고주파수 광 발진기에 있어 간섭계와 광학적 소자를 사용하여 상관성이 큰 두 빛을 발생시킴으로 위상 잠금을 위한 신호 처리 없이 보다 쉽게 밀리미터파 광원을 얻을 수 있다.The effect of the present invention made as described above is to generate a millimeter wave light source without signal processing for phase locking by generating two highly correlated light using an interferometer and an optical element in the millimeter wave high frequency optical oscillator.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 밀리미터파 발진기의 개략적인 구성도이다. 1 is a schematic diagram of a millimeter wave oscillator according to an embodiment of the present invention.
도 2는 본 발명의 실시예의 투과대역필터의 스펙트럼 특성의 일예를 나타내는 그래프이다. 2 is a graph showing an example of spectral characteristics of a transmission band pass filter according to an embodiment of the present invention.
도 3은 본 발명의 실시예에서 페브리-페롯(Fabry-Perot) 간섭계를 사용하는 경우 투과대역필터와 간섭계를 통과한 후 스펙트럼 영역에서의 출력의 모의 실험결과이다. 3 is a simulation result of the output in the spectral region after passing through the transmission band pass filter and the interferometer when using a Fabry-Perot interferometer in the embodiment of the present invention.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 밀리미터파 발진기의 개략적인 구성도이다. 4 is a schematic diagram of a millimeter wave oscillator according to another embodiment of the present invention.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 * Explanation of symbols for main parts of the drawings
1. 100 : 밀리미터파 발진기1.100: millimeter wave oscillator
10, 110 : 광원 20 : 대역 투과 필터10, 110 light source 20 band pass filter
30, 130 : 간섭계 40, 140 : 광 검출기30, 130: interferometer 40, 140: photo detector
150 : 광 아이솔레이터 160 : 방향성 결합기150: optical isolator 160: directional coupler
170 : 미세 격자 180 : 광 증폭기170: fine grating 180: optical amplifier
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