KR101325247B1 - 테라헤르츠 연속파 발생 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 테라헤르츠 연속파 발생 장치 및 테라헤르츠 연속파 발생 방법에 관한 것이다. 본 발명은 테라헤르츠 연속파 발생 장치에 있어서, 단일 파장을 갖는 두 개의 광 반송파를 제공하는 광 반송파 제공부; 상기 두 개의 광 반송파 중 하나를 입력받아 DSB-SC 신호를 생성하는 광 강도 변조부; 상기 두 개의 광 반송파 중 나머지 하나를 입력받아 단일 편광 성분의 광 반송파를 추출하는 추출부; 및 상기 단일 편광 성분의 광 반송파와 상기 DSB-SC 신호를 결합하는 광 결합기를 포함한다. 본 발명에 따르면, 하나의 광원, 하나의 광 강도변조기, 수동 광 부품, 및 광전 변환기로 이루어지는 테라헤르츠 연속파 발생 장치를 통해, 별도의 광 필터를 사용하지 않고 광원의 기본적인 특성인 편광 특성을 이용하여 광 반송파를 억제할 수 있다.

Description

테라헤르츠 연속파 발생 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR GENERATING TERAHERTZ CONTINUOUS WAVE}
본 발명은 테라헤르츠 연속파 발생 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히, 광 혼합 기법을 이용한 테라헤르츠 연속파 발생 장치 및 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 정보통신연구개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호:2009-F-037-01, 과제명:테라헤르츠대역 전파환경 및 무선전송 플랫폼 기술연구].
최근, 정보통신 및 영상 기술 등의 발달로 인해 음성과 문자 정보에 영상정보가 추가되면서, 단위 시간당 처리 및 가공해야 할 정보의 양이 비약적으로 증가되었으며, 이로 인하여 고속/광대역 무선통신에 대한 관심이 폭증하고 있다. 그러나, 현재 국가에서 규제하여 할당하는 주파수 자원은 거의 포화상태에 있으므로 고속/광대역 무선통신 기술을 실현하는데 어려움이 있다.
따라서, 이와 같은 문제점을 해결하고자 초고주파 대역(Microwave band), 밀리미터파 대역(Millimeter-wave(mm-wave) band) 및 테라헤르츠 대역(Terahertz(THz) band)을 이용한 광대역 통신 시스템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
이와 같은 광대역 통신 시스템을 실현하기 위해서는 초고주파 대역 이상의 주파수 대역에서 안정적으로 동작하는 연속파(Continuous Wave;CW) 신호원의 개발이 필수적이다. 이와 관련하여 밀리미터파 대역에서 주로 사용되고 있는 건다이오드(Gunn Diode), IMPATT(IMPact ionization Avalanche Transit-Time) 다이오드 등을 이용한 신호 발생 기법이 제안되는데, 이는 기존의 화합물 반도체 제조 공정으로 제작이 가능하다는 장점이 있다. 그러나, 상온에서 신호의 위상 잡음(Phase noise)이 높고, 발생 주파수의 범위가 100 GHz 정도로 한정된다는 단점이 있다.
따라서, 최근에는 낮은 위상잡음과 온도 및 전파환경 등의 동작환경에 민감하지 않은 밀리미터파 대역 이상의 주파수를 갖는 연속파 신호를 발생시키기 위하여 광 신호를 이용하는 광 혼합(Photomixing) 기법에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
여기서, 광 혼합 기법은 서로 다른 두 개의 광 신호를 광전 변환기(Opto-Electric Converter;OE Converter)를 이용하여 비팅(beating) 시킴으로써 낮은 위상 잡음과 좁은 FWHM(Full Wave Half Maximum)을 갖는 초고주파 대역, 밀리미터파 대역 및 테라헤르츠 대역의 연속파 신호를 발생시키는 기법이다.
한편, 광 혼합 기법을 이용한 테라헤르츠 연속파 발생 장치는 주파수 편이(Frequency Drift)를 최소화하고, 안정된 연속파 테라헤르츠 신호를 발생시키기 위하여 하나의 광원(Optical Source)으로부터 강한 상관관계(correlation)를 유지하며, 파장이 서로 다른 두 개의 광 신호를 발생시켜 비팅 시킨다.
일반적으로 연속파 발생 시스템은 하나의 광원, 수동 광 부품, 광전 변환기로 구성되어 테라헤르츠 대역의 주파수를 갖는 연속파를 발생시키는데, 하나의 광원으로부터 두 가지 혹은 그 이상의 파장을 갖는 광 신호를 발생시켜 사용하므로 비팅되는 두 파장의 상관관계(Correlation)가 크다. 따라서, 위상잡음이 적고 발생된 신호의 주파수 안정도를 높일 수 있다는 장점이 있다.
하나의 광원을 이용하여 테라헤르츠 대역의 주파수를 갖는 연속파를 발생시키는 기법으로는 모드 로킹 레이저(Mode Locking Laser) 기법, 듀얼 모드 레이저(Dual Mode Laser) 기법 혹은 인젝션 로킹(Injection Locking) 기법 및 광 반송파가 억제된 양측대역(Double Sideband - Suppressed Carrier, DSB-SC) 발생 기법, 주파수 콤 (Frequency Comb) 기법 등이 있다.
여기서, 모드 로킹 레이저 기법과 듀얼 모드 레이저 기법의 경우, 광 소자 제작이 어렵고, 소자의 개발비 및 가격 면에서 경쟁력이 부족하여 상용화를 위한 실효성에 문제가 있다. 인젝션 로킹 방법은 원하는 신호의 주파수를 얻기 위하여 로킹 과정을 거쳐야 하고 이로 인하여 동작 조건이 까다롭다는 단점으로 인하여 실효성에 제약이 있다. 또한, 주파수 콤 기법은 광원과 광 강도변조기(Optical Intensity Modulator), 광 위상변조기(Optical Phase Modulator), AWG(Arrayed Waveguide Grating) 및 광전 변환기로 구성되어 발생되는 신호의 주파수가 광 위상변조기와 AWG의 성능에 따라서 가변적이며, 고가의 광 변조기 두 개와 고가의 AWG가 필요하다는 단점이 있다.
반면에, DSB-SC 기법은 광학적 헤테로다인(Heterodyne) 방식의 일종으로서 그 구성이 단순하며, 원하는 주파수의 신호를 얻기가 상기한 다른 기법들에 비하여 용이하기 때문에 많은 연구가 진행되어 왔다.
DSB-SC 기법을 이용한 테라헤르츠 연속파 발생 장치는 하나의 광원(Laser Diode;LD), 광 강도변조기(Optical Intensity Modulator), 초고주파 대역용 국부 발진기(Local Oscillator; LO), 광전 변환기(Opto-Electric Convertor), 그리고 광 필터(Optical Filter)를 비롯한 수동 광 부품 등으로 구성된다.
여기서, 광원(Optical Source;Laser Diode;LD)은 DSB-SC 기법의 테라헤르츠-파 발생 장치에서 상관관계가 강한 두 개의 서로 다른 파장을 갖는 광 신호를 생성하기 위한 광 반송파 (Optical Carrier) 발생원으로서 사용된다. 발생된 광 반송파는 초고주파 국부 발진기에서 출력되어 광 강도변조기로 입력되는 LO 신호에 의해서 양측대역(Double Sideband;DSB) 신호로 변조된다. DSB-SC 기법으로 변조된 광 신호가 광전 변환기로 입력된 후, 광 혼합 과정을 통하여 테라헤르츠 연속파 신호를 발생시키게 된다.
이때, 발생된 테라헤르츠 연속파 신호의 안정성과 잡음(Noise)를 낮추기 위해서는 스펙트럼 상에 양측대역 신호와 동시에 존재하는 광 반송파를 제거해야 한다.
그러나, 전술한 바와 같은 구조의 DSB-SC 기법을 이용한 테라헤르츠 연속파 발생 장치는 광 반송파의 제거를 위해 별도의 광 필터가 요구된다. 즉, 노치 필터(Notch Filter)나 AWG(Arrayed Waveguide Grating) 등이 추가적으로 요구되기 때문에, 테라헤르츠 연속파 발생 장치의 구성이 복잡해지며, 구성에 소요되는 비용이 증가한다는 단점이 있다.
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 광원의 편광 특성을 이용하여 광 반송파를 억제하는 테라헤르츠 연속파 발생 장치 및 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해 제안된 본 발명은 테라헤르츠 연속파 발생 장치에 있어서, 단일 파장을 갖는 두 개의 광 반송파를 제공하는 광 반송파 제공부; 상기 두 개의 광 반송파 중 하나를 입력받아 DSB 신호와 억제된 광 반송파를 포함하는 DSB-SC 신호를 생성하는 광 강도 변조부; 상기 두 개의 광 반송파 중 나머지 하나를 입력받아 단일 편광 성분의 광 반송파를 추출하는 추출부; 및 상기 단일 편광 성분의 광 반송파와 상기 DSB-SC 신호를 결합하는 광 결합기를 포함하는 것을 일 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 테라헤르츠 연속파를 발생시키는 방법에 있어서, 광원으로부터 단일 파장의 광 반송파를 발생시키는 단계; 상기 광 반송파를 동일한 파장을 갖는 두 개의 광 반송파로 분리하는 단계; 상기 두 개의 광 반송파 중 하나를 이용하여 DSB 신호와 억제된 광 반송파를 포함하는 DSB-SC 신호를 생성하는 단계; 상기 두 개의 광 반송파 중 나머지 하나를 이용하여 단일 편광 성분의 광 반송파를 추출하는 단계; 상기 단일 편광 성분의 광 반송파와 상기 DSB-SC 신호를 광학적으로 결합하여 광신호를 출력하는 단계; 및 상기 광신호를 광전 변환하여 테라헤르츠 연속파 신호를 출력하는 단계를 포함하는 것을 다른 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 하나의 광원, 하나의 광 강도변조기, 수동 광 부품, 및 광전 변환기로 이루어지는 테라헤르츠 연속파 발생 장치를 통해, 광원의 기본적인 특성인 편광 특성을 이용하여 광 반송파를 억제할 수 있다. 따라서, 고가의 광 필터를 사용하지 않는 저가의 안정된 테라헤르츠 연속파 발생장치를 구현할 할 수 있다. 이는 무선 초고속,초광대역 테라헤르츠 무선통신시스템 구현에 필수적이고 핵심적인 장치로서 활용이 가능하다. 또한, 이미 설치된 기간 통신망으로 활용되고 있는 광통신망과 끊김없는(Seamless) 연결이 가능하므로, 끊김이나 지연없는 초고속, 초광대역 유무선 통합망 구현이 용이해진다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 연속파 발생 장치의 구성을 나타내는 구성도
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 연속파 발생 장치의 구체적인 구성을 나타내는 구성도
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 연속파 발생 장치를 이용한 테라헤르츠 연속파 발생 방법을 설명하기 위한 그래프
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 연속파 발생 장치를 이용한 테라헤르츠 연속파 발생시 편광 분리기의 파워에 따른 광 반송파에 의한 잡음 성분을 나타내는 그래프
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 연속파 발생 장치를 이용한 테라헤르츠 연속파 발생 방법에 의해 0.1 테라헤르츠 신호를 발생시킨 경우를 나타내는 그래프
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 연속파 발생 장치를 이용한 테라헤르츠 연속파 발생 방법에 의해 발생시킨 테라헤르츠 연속파와 종래의 DSB-SC 방식에 따른 테라헤르츠 연속파의 위상 잡음을 비교하여 나타낸 그래프
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 연속파 발생 장치를 이용한 테라헤르츠 연속파 발생 방법에 의해 발생시킨 테라헤르츠 연속파의 주파수 편이 특성을 나타내는 그래프
이하 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 도면들 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 연속파 발생 장치의 구성을 나타내는 구성도이다.
도시된 바와 같이, 테라헤르츠 연속파 발생 장치(100)는 단일 파장을 갖는 두 개의 광 반송파를 제공하는 광 반송파 제공부(110), 두 개의 광 반송파 중 하나를 입력받아 DSB 신호와 억제된 광 반송파를 포함하는 DSB-SC 신호를 생성하는 광 강도 변조부(120), 두 개의 광 반송파 중 나머지 하나를 입력받아 단일 편광 성분의 광 반송파를 추출하는 추출부(130) 및 단일 편광 성분의 광 반송파와 DSB-SC 신호를 결합하는 광 결합기(Optical Coupler;140)를 포함한다. 또한, 광 결합기(140)로부터 출력되는 광신호를 광전 변환하여 테라헤르츠 연속파 신호를 출력하는 광전 변환기(Opto-Electric Converter;OE Converter;150) 및 테라헤르츠 연속파 발생 장치(100)에 포함된 각 소자의 동작을 모니터링하고 출력된 테라헤르츠 연속파 신호를 측정하는 측정부(160)를 더 포함한다.
광 반송파 제공부(110)는 동일한 파장을 갖는 두 개의 광 반송파를 제공한다. 일 예로, 광 반송파 제공부(110)는 단일 파장의 광 반송파를 발생시키는 광원(Laser Diode) 및 광원으로부터 발생된 광 반송파를 동일한 파장을 갖는 두 개의 광 반송파로 분리하는 광 분리기(Optical Splitter)로 구성되어 단일 파장을 갖는 두 개의 광 반송파를 제공할 수 있다. 다른 예로, 광 반송파 제공부(110)는 주 광원(master laser source) 및 부 광원(slave laser diode)를 동기화시켜 단일 파장을 갖는 두 개의 광 반송파를 제공할 수 있다.
광 강도 변조부(120)는 광 반송파 제공부(110)로부터 출력된 두 개의 광 반송파 중 하나를 입력받아 DSB-SC 신호를 출력한다. 일 예로, 광 강도 변조부(120)는 국부 발진기(Local Oscillator) 및 국부 발진기 신호에 따라서 광 반송파 제공부(110)로부터 단일 파장의 광 반송파를 입력받아 DSB-SC 신호를 발생시키기는 광 강도 변조기(Optical Intensity Modulator)를 포함한다.
추출부(130)는 광 반송파 제공부(110)로부터 출력된 두 개의 광 반송파 중 나머지 하나를 입력받아 단일 편광 성분의 광 반송파를 추출한다. 일 예로, 추출부(130)는 입력받은 광 반송파를 상호 직각인 두가지 편광 성분의 광 반송파로 분리하는 편광 분리기(Polarization Beam Splitter; PBS)로 구성될 수 있으며, 편광 제어기(Polarization Controller를 추가로 구비할 수 있다. 다른 예로, 추출부(130)는 패스트 액시스(fast axis) 편광 성분 및 슬로우 액시스(slow axis) 편광 성분 중 하나의 편광 성분을 갖는 광 반송파를 출력하는 폴라라이저(polarizer)로 구성될 수 있다.
이를 통해, 추출부(130)는 패스트 액시스 편광 성분의 광 반송파를 출력하거나, 슬로우 액시스 편광 성분을 갖는 광 반송파를 출력할 수 있다.
광 결합기(140)는 광 강도 변조부(120)로부터 출력된 DSB-SC 신호와 추출부(130)로부터 출력된 단일 편광 성분의 광 반송파를 결합하여 상관 관계가 강한 두 파장의 광 신호를 출력한다. 이때, 광 결합기(140)는 각 출력 신호의 크기를 고려하여 결합 비율을 결정할 수 있다.
여기서 추출부(130)로부터 출력된 단일 편광 성분의 광 반송파는 DSB 신호와 편광각 차이를 갖고, DSB-SC 신호에 포함된 광 반송파와 위상 차이를 갖는다. 이와 같이 단일 편광 성분만을 추출하여 DSB-SC 신호와 광 결합하는 경우, 인위적으로 DSB 신호와 광 반송파 간의 편광차이 및 광 반송파 간의 위상 차이를 발생시켜 광전변환기에 입력함으로써, 광 반송파를 억제할 수 있다.
광전 변환기(150)는 광 결합기(140)로부터 출력된 상관 관계가 강한 두 파장의 광 신호를 비팅하여 테라헤르츠 연속파를 발생시킨다.
측정부(160)는 테라헤르츠 연속파 발생 장치(100)에 포함된 각 소자의 동작 및 테라헤르츠 연속파 발생 장치(100)를 통해 발생시킨 테라헤르츠 연속파를 측정하기 위한 것이다. 일 예로, 측정부(160)는 광 스펙트럼 분석기(Optical Spectrum Analyzer) 및 전자 스펙트럼 분석기(Electrical Spectrum Analyzer)를 포함할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 연속파 발생 장치의 구체적인 구성을 나타내는 구성도이다.
도시된 바와 같이, 테라헤르츠 연속파 발생 장치는 광 반송파 제공부(110), 광 강도 변조부(120), 추출부(130), 광 결합기(140), 광전 변환기(150), 측정부(160) 및 광 증폭기(170)를 포함한다.
광 반송파 제공부(110)는 단일 파장을 갖는 광 반송파를 발생시키는 광원(111) 및 광원(111)에서 출력된 광 반송파를 광 반송파와 동일한 파장을 갖는 두 개의 광 반송파로 분리하는 1X2 또는 2X2 광 분리기(112)로 구성될 수 있다.
여기서, 광원(111)은 단일 파장 및 좁은 대역폭(약 100 KHz)을 갖는 광신호 발생기가 적절하다. 또한, 광 분리기(112)의 분리 비율에 따라 광 강도 변조부(120)에 의해 생성되는 DSB-SC 신호의 크기를 조절할 수 있다. 광 분리기(112)의 두 개의 출력단은 각각 광 강도 변조부(120) 및 추출부(130)로 각각 연결된다.
광 강도 변조부(120)는 국부 발진기(Local Oscillator;LO;122) 및 국부 발진기(122)의 신호에 따라 광 분리기(112)의 한 출력단으로부터 단일 파장의 광 반송파를 입력받아 DSB-SC 신호를 발생시키는 광 강도 변조기(121)로 구성될 수 있다.
국부 발진기(122)는 발생시키고자하는 DSB 신호의 주파수 차이에 비하여 약 0.5배 크기의 주파수 신호를 출력할 수 있는 초고주파 국부 발진기인 것이 바람직하다.
광 강도변조기(121)의 주파수 대역폭은 발생시키고자 하는 테라헤르츠 연속파 주파수의 약 0.5 배인 것이 적절하지만, 별도의 광 증폭기를 추가로 구비할 경우, 약 0.3 배의 주파수 대역폭을 갖는 광 강도변조기(121)도 사용 가능하다.
또한, 광 강도 변조기(121)에서 출력되는 DSB-SC 신호의 크기가 현저히 감쇠된 경우에는 DSB-SC 신호를 증폭시켜 광 혼합되어 발생되는 테라헤르츠 연속파 신호의 크기를 증가시키기 위하여 광 강도변조기(121)의 뒷 단에 광 증폭기(170)가 추가로 장착될 수 있다. 일 예로, 광 증폭기(170)는 6 dB 이하의 잡음 특성과 최대 30 dB의 이득을 갖는 것이 바람직하다.
추출부(130)는 광 분리기(112)의 다른 출력단으로부터 단일 파장의 광 반송파를 입력받아 광 반송파와 같은 파장을 갖는 서로 직각인 두 편광 성분(Fast Axis, Slow Axis)의 광 반송파로 분리하는 편광 분리기(131)로 구성될 수 있다.
여기서, 편광 분리기(131)의 입력 광 파이버는 단일 모드 광섬유(Single Model Fiber;SMF)로 피그테일링(pigtailing) 되고, 입력된 광 신호에 포함된 서로 직각인 두 개의 편광 성분 (slow axis, fast axis)으로 분리하여 출력할 수 있는 두 개의 출력단은 분리된 두 편광 성분을 시스템 최종단까지 유지시킬 수 있도록 편광 유지 광섬유(Polarization Maintaining Fiber;PMF)로 피그테일링 되는 것이 바람직하다.
또한, 추출부(130)는 편광 제어기(132)를 추가로 구비할 수 있는데, 이러한 경우, 광 반송파 제공부(110)로부터 출력된 광 반송파의 편광을 원하는 형태로 제어하여 편광 분리기(131)를 통해 출력되는 광 반송파의 크기를 제어할 수 있다.
예를 들어, 편광 제어기(132)는 광 반송파 제공부(110)로부터 출력되어 추출부로 입력된 광 반송파의 편광을 광 강도 변조부(120)에서 DSB 신호를 발생시키기 위하여 사용되는 광 반송파에 포함된 두 편광 성분(slow axis, fast axis) 중 신호의 크기가 큰 성분에 직각이 되는 편광 성분의 크기가 최대가 되도록 편광을 조절하여 편광 분리기(131)에 입력하고, 편광 분리기(131)의 두 출력단 중 광 강도 변조부(120)에서 사용하는 광 반송파의 편광 성분 중 신호의 크기가 큰 성분에 직각이 되는 편광성분의 출력단에서의 신호의 크기가 최대값을 갖도록 제어할 수 있다.
또한, 편광 제어기(132)를 이용하여 편광 유지 특성이 없는 광 증폭기로부터 출력된 신호를 원하는 편광성분을 갖도록 제어하는 것 또한 가능하다.
일 예로, 광 강도 변조기(121)로부터 출력되는 DSB-SC 신호의 크기를 극대화하기 위하여 9:1 또는 99:1의 광 분리기(112)를 사용하는 경우, 편광 분리기(131)의 뒷 단에 광 증폭기(170)를 별도로 장착하여 단일 편광된 편광 분리기(131)의 출력을 조절하는 것이 바람직하다. 다른 예로, 5:5의 광 분리기(112)를 사용하는 경우에는 편광 분리기(131)의 출력을 조절하기 위하여 광 감쇄기(미도시됨)를 추가로 사용하는 것이 바람직하다. 물론, 이는 절대적인 사항은 아니며, DSB-SC 신호에 포함되어 있는 광 반송파의 크기와 편광 분리기(131)에서 단일 편광된 광 반송파의 크기를 고려하여 광 증폭기(170) 또는 광 감쇄기를 선택적으로 사용하는 것이 바람직하다.
광 결합기(140)는 DSB-SC 신호와 DSB-SC 신호에 포함된 광 반송파의 한 편광 성분(패스트 액시스 또는 슬로우 액시스)만을 갖는 편광 분리기(131)의 츨력을 결합한다. 이를 통해, 상관 관계가 강한 두 파장의 광 신호가 출력된다.
여기서, 광 결합기(140)의 결합 비율은 DSB-SC 신호와 편광 분리기(131)의 출력 신호의 크기를 고려하여 결정하는 것이 바람직한데, 일 예로, 50:50 또는 90:10의 비율로 결합할 수 있다.
광 결합기(140)는 광 반송파의 편광을 유지시켜 광전 변환기(150)에서 안정된 테라헤르츠 연속파 신호를 발생시킬 수 있도록 편광 유지 특성을 갖는 것이 바람직하다. 또한, 광 결합기(140)는 편광 유지 광섬유로 피그테일링된 것이 바람직하다.
광전 변환기(150)는 광 결합기(140)로부터 출력된 상관 관계가 높은 광신호를 비팅하여 테라헤르츠 연속파를 발생시킨다.
측정부(160)는 국부 발진기(122)의 성능을 모니터링하고 광전 변환기(150)를 통하여 생성된 테라헤르츠 연속파를 측정하기 위한 전자 스펙트럼 분석기(161) 및 테라헤르츠 연속파 발생 장치에 포함된 소자, 예를 들어, 광원(111), 광 분리기(112), 편광 분리기(131), 광 결합기(140) 등의 동작을 모니터링 하기 위한 광 스펙트럼 분석기(162)로 구성될 수 있다.
이 밖에도 테라헤르츠 연속파 발생 장치는 광 강도변조기(121)의 DC 입력단, 광 강도변조기(121) 안정화 회로 등을 포함하는 전자 제어부를 추가적으로 구비할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 연속파 발생 장치를 이용한 테라헤르츠 연속파 발생 방법을 설명하기 위한 그래프이다. 단, 본 명세서에서는 설명의 편의를 위하여 광원(111)으로부터 발생되는 광 반송파가 원형 편광되어있는 경우를 가정하여 설명하도록 한다.
도 3의 (a-1)에 도시된 바와 같이, 광원(111)으로부터 광 반송파(ωC)가 출력되면, 광 강도변조기(121)에 의해 ωSL과 ωSR의 양측대역(DSB) 신호와 억제된 광 반송파(ωC)를 포함하는 DSB-SC 신호가 생성된다. 이때, DSB 신호와 광 반송파(ωC)는 상관 관계가 강하므로 (a-2)에 도시된 바와 같이 동일한 편광각을 갖는다.
도 3의 (b-1) 및 (b-2)는 편광 분리기(131)에서 출력되는 단일 편광된 광 반송파 신호를 나타낸다. 광원(111)으로부터 발생되는 광 반송파(ωC)는 x축과 y축의 두가지 편광 성분을 모두 갖고 있는데 반해, 편광 분리기(131)에 의해 편광 분리된 광 반송파는 x축 성분(Fast Axis)과 y축 성분(Slow Axis) 중 하나의 편광 성분 만을 갖게 됨을 알 수 있다. 본 그래프에서는 일 예로, x축 성분만을 갖는 단일 편광 된 광 반송파를 도시하였다.
도 3의 (c-1) 및 (c-2)는 광 결합기(140)에 의해 DSB-SC 신호와 단일 편광된 광 반송파가 결합된 결과를 나타내는 그래프이다. 즉, (a-1)의 DSB-SC 신호와 (b-1)의 단일 편광된 광 반송파 신호의 결합 결과를 (c-1)에 나타냈으며, (a-2)와 (b-2)를 결합한 결과를 (c-2)에 나타냈다.
여기서, 편광 분리기(131)로부터 출력된 단일 편광된 광 반송파와 DSB-SC 신호에 포함된 광 반송파는 신호 전송 경로의 부정합에 의해 φ 만큼의 위상 차이(Phase difference)를 갖게 된다. 또한, 단일 편광된 광 반송파가 기존의 광 반송파의 x축 성분에만 추가되므로, (c-2)에 도시된 바와 같이 DSB 신호와 광 반송파 신호 사이의 편광각이 α 만큼의 차이를 갖게 된다.
도 3의 그래프를 참조하여 설명한 내용을 수학식으로 표현하면 다음과 같다.
아래의 수학식 1과 수학식 2는 광 반송파의 양측대역 신호를 각각 나타낸다. 즉, 수학식 1은 왼쪽에서 발생되는 DSB 신호를 나타내며, 수학식 2는 오른쪽에 발생되는 DSB 신호를 나타낸다, 수학식 3은 광원(111)으로부터 발생된 광 반송파를 나타낸다. 수학식 4는 편광 분리기(131)에 의해 출력된 단일 편광된 광 반송파를 나타내는데, 단일 편광된 광 반송파는 앞서 설명한 바와 같이 광 반송파의 x축 성분만을 갖고, φ만큼의 위상 차이를 가지므로, 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다. 각 수학식에서 't'는 시간을 나타내고, 'k'는 전파 상수(propagation constant)를 나타낸다. 또한, 'a'는 상수로서 EAP를 Ec , xcosφ 의 배수로 나타내기 위한 것이다.
따라서, 광원(111)으로부터 발생된 광 반송파와 편광 분리기(131)로부터 출력된 단일 편광된 광 반송파를 결합한 광 신호를 수학식 6과 같이 표현할 수 있다. 여기서, 수학식 6을 수학식 3과 비교할 때, x축 성분이 (1+acosφ) 만큼 변화된 것을 확인할 수 있으며, 이를 통해, φ의 값에 따라 광 반송파의 크기를 감소시킬 수 있음을 예상할 수 있다.
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위의 수학식 7은 스퀘어 섬(Square Sum) 이론을 이용하여 광혼합 성분을 나타낸 것이다. 수학식 7의 첫번째 줄은 DC 성분을 나타내고, 두번째 줄은 테라헤르츠 연속파 성분을 나타내며, 세번째와 네번째 줄은 광 반송파로 인한 잡음 성분을 나타낸다. 그 이외의 항들은 광혼합을 위해 사용된 광전변환기의 동작 한계를 넘는 성분으로서 그 주파수가 광 주파수 영역에 있으므로 무시할 수 있는 성분이다.
수학식 7의 세번째와 네번째 줄의 광 반송파로 인한 잡음 성분은 광 반송파의 크기 (Ecx와 Ecy)와 DSB 신호의 크기 (ESL ,x, ESR ,x, ESL ,y, ESR ,y)의 곱에 비례함으로 광 반송파의 크기를 감소시킬수록 잡음 성분이 감소할 수 있으며 반대로 광 반송파의 크기가 증가할수록 잡음 성분이 증가함을 확인할 수 있다. 따라서, 종래의 DSB-SC 기법에서는 수학식 7의 세번째와 네번째 줄의 광 반송파로 인한 잡음 성분에 acosφ와 cosα가 포함되지 않으나, 본 발명에서는 광 반송파로 인한 잡음 성분에 acosφ와 cosα가 포함되어 광 반송파로 인한 잡음 성분을 감소시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
전술한 바와 같은 사항을 고려할 때, DSB 신호와 단일 편광된 광 반송파 간의 편광각 차이 및 DSB-SC 신호에 포함된 광 반송파와 단일 편광된 광 반송파 간의 위상 차이를 적절하게 조절함으로써 광 반송파로 인한 잡음 성분을 감소시킬 수 있다. 이를 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.
본 발명에서는 원형 편광의 광신호를 가정하였다. 본 발명에서 제안한 잡음 성분 감소가 효과가 있기 위해서는 본 발명에 따른 기법에서 발생되는 광 반송파로 인한 잡음 성분과 종래의 DSB-SC 기법에서 발생되는 광 반송파로 인한 잡음 성분의 차가 0 보다 작거나 상기한 두 잡음 성분의 비가 1보다 작을 때이다. 따라서, 두 잡음 성분의 차가 0보다 작거나 비가 1보다 작을 경우는 아래의 수학식 8과 같이 기존의 DSB-SC 기법에서의 광 반송파에 의한 잡음 성분과 비교해서 본 발명에서 추가된 성분이 1 보다 작은 값을 갖는 경우이다. cosα는 삼각함수의 특성상 항상 1보다 작은 값을 가지므로 [1+acos(φ)cos(α)]이 1보다 작은 값을 갖도록 단일 편광된 광 반송파의 전송 거리와 파워를 조절하면, 광 반송파로 인한 잡음 성분을 효과적으로 억제할 수 있다.
Figure 112010022786460-pat00008
Figure 112010022786460-pat00009
이때, 앞서 도 3의 (c-2)에서 살펴본 바와 같이, 원형 편광의 가정하에서는 추가된 단일 편광된 광 반송파에 따라 편광각 α가 최대 45도를 갖게 되므로, 수학식 8의 조건을 만족하는 cosφ는 수학식 9의 범위 내에서 결정되어야 한다. 또한, φ의 초기값은 수학식 9를 이용하여 수학식 10과 같이 표현될 수 있다. 따라서, 일반화된 φ값은 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
수학식 10에서 l0 는 초기 길이를 나타내고, φ0는
Figure 112010022786460-pat00010
경로에서 지연 라인의 위상을 나타낸다. 또한, 수학식 11에서 n은 정수를 나타낸다.
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위의 수학식 10과 수학식 11을 이용하여 단일 편광된 광 반송파와 DSB-SC 신호에 포함된 광 반송파 사이의 위상 차이를 물리적인 길이로 환산하면, 아래의 수학식 12와 수학식 13으로 표현될 수 있다. 수학식 13은 수학식 12를 일반화하여 표현한 것이다. 수학식 13에서 n은 정수를 나타낸다.
Figure 112010022786460-pat00014
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따라서, 단일 편광된 광 반송파의 전송 거리와 파워를 조절함으로써, 광 반송파로 인한 잡음 성분을 효과적으로 억제할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 연속파 발생 장치를 이용한 테라헤르츠 연속파 발생시 편광 분리기의 파워에 따른 광 반송파에 의한 잡음 성분을 나타내는 그래프이다.
전술한 수치 해석을 바탕으로, 편광각 α가 최대값을 갖고, 단일 편광된 광 반송파와 DSB-SC 신호 사이의 광 전송로의 길이 차이로 인한 위상 차이 φ가 90도에서 270도 사이의 값을 갖도록 조절함으로써, 광 반송파를 효과적으로 억제할 수 있다.
특히, 그래프를 통해, 편광 분리기(131)에서 출력된 단일 편광 광 반송파의 크기가 약 5 dBm의 값을 갖고, 위상 차이가 93도의 값을 갖도록 조절함으로써, 광 반송파의 억제가 가장 효과적임을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 연속파 발생 장치를 이용한 테라헤르츠 연속파 발생 방법에 의해 0.1 테라헤르츠 신호를 발생시킨 경우를 나타내는 그래프이다.
물론, 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 연속파 발생 장치를 이용한 테라헤르츠 연속파 발생 방법에 따르면, 광 강도변조기의 변조 대역폭이 충분히 넓다는 가정하에서 수 테라헤르츠 대역까지 테라헤르프 연속파를 발생시킬 수 있다. 본 그래프는 현재의 측정 기술과 계측장비의 한계 내에서 본 발명을 검증하기 위해서 0.1 테라헤르츠 신호를 발생시킨 경우를 나타낸다.
그래프를 통해, 본 발명의 일 실시예에 따르면 기존의 DSB-SC 기법에 비해 광 반송파 억제 효과가 증가되고, 이를 통해, 광 혼합되는 테라헤르츠 연속파의 파워를 개선됨을 확인할 수 있다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 연속파 발생 장치를 이용한 테라헤르츠 연속파 발생 방법에 의해 발생시킨 테라헤르츠 연속파와 종래의 DSB-SC 기법에 따른 테라헤르츠 연속파의 위상 잡음을 비교하여 나타낸 그래프이다.
앞서 설명한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따르면 종래에 비해 테라헤르츠 연속파의 위상 잡음이 감소됨을 확인할 수 있다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 테라헤르츠 연속파 발생 장치를 이용한 테라헤르츠 연속파 발생 방법에 의해 발생시킨 테라헤르츠 연속파의 주파수 편이(Frequency Drift) 특성을 나타내는 그래프이다.
그래프를 통해, 본 발명에 의하면 약 11 KHz의 우수한 특성을 갖는 테라헤르츠 연속파를 발생시킬 수 있음을 확인할 수 있다.
상술한 본 발명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 여러 가지 변형을 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고 실시할 수 있다. 따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위와 특허청구범위의 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 테라헤르츠 연속파 발생 장치 110: 광 반송파 제공부
111: 광원 112: 광 분리기
120: 광 강도 변조부 121: 광 강도 변조기
122: 국부 발진기 130: 추출부
140: 광 결합기 150: 광전변환기
160: 측정부 161: 전자 스펙트럼 분석기
162: 광 스펙트럼 분석기 170: 광 증폭기

Claims (17)

  1. 단일 파장을 갖는 두 개의 광 반송파를 제공하는 광 반송파 제공부;
    상기 두 개의 광 반송파 중 하나를 입력받아 DSB(Double Sideband) 신호와 억제된 광 반송파를 포함하는 DSB-SC(Double Sideband - Suppressed Carrier) 신호를 생성하는 광 강도 변조부;
    상기 두 개의 광 반송파 중 나머지 하나를 입력받아 단일 편광 성분의 광 반송파를 추출하는 추출부; 및
    상기 단일 편광 성분의 광 반송파와 상기 DSB-SC 신호를 결합하는 광 결합기
    를 포함하는 테라헤르츠 연속파 발생 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 광 결합기로부터 출력되는 광신호를 광전 변환하여 테라헤르츠 연속파 신호를 출력하는 광전 변환기
    를 더 포함하는 테라헤르츠 연속파 발생 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 광 강도 변조부 또는 상기 추출부의 출력을 증폭시키기 위한 광 증폭기
    를 더 포함하는 테라헤르츠 연속파 발생 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 광 반송파 제공부, 상기 추출부 또는 상기 광 결합기의 동작을 모니터링하는 광 스펙트럼 분석기 또는 상기 광전 변환기에 의해 생성된 테라헤르츠 연속파 신호를 측정하는 전자 스펙트럼 분석기를 포함하는 측정부
    를 더 포함하는 테라헤르츠 연속파 발생 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 광 반송파 제공부는,
    단일 파장의 광 반송파를 발생시키는 광원; 및
    상기 광원으로부터 발생된 광 반송파를 동일한 파장을 갖는 두 개의 광 반송파로 분리하는 광 분리기를 포함하는
    테라헤르츠 연속파 발생 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 광원은,
    100kHz 이하의 대역폭을 갖는 광 반송파를 발생시키는 광신호 발생기인
    테라헤르츠 연속파 발생 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 광 반송파 제공부는,
    주 광원(master laser source) 및 부 광원(slave laser diode)을 동기화시켜 상기 단일 파장을 갖는 두 개의 광 반송파를 제공하는
    테라헤르츠 연속파 발생 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 광 반송파 제공부는,
    패스트 액시스(fast axis) 편광 성분 및 슬로우 액시스(slow axis) 편광 성분을 갖는 상기 광 반송파를 제공하는
    테라헤르츠 연속파 발생 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 추출부는,
    상기 두 개의 광 반송파 중 나머지 하나를 입력받아 상호 직각인 두가지 편광 성분의 광 반송파로 분리하는 편광 분리기인
    테라헤르츠 연속파 발생 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 추출부는,
    상기 두 개의 광 반송파 중 나머지 하나를 입력받아 패스트 액시스(fast axis) 편광 성분 및 슬로우 액시스(slow axis) 편광 성분 중 하나의 편광 성분을 갖는 광 반송파를 출력하는 폴라라이저(polarizer)인
    테라헤르츠 연속파 발생 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 광 결합기는,
    상기 DSB 신호와 편광각 차이를 갖고 상기 DSB-SC 신호에 포함된 광 반송파와 위상 차이를 갖는 상기 단일 편광 성분의 광 반송파와 상기 DSB-SC 신호를 결합하여 광신호를 출력하는
    테라헤르츠 연속파 발생 장치.
  12. 광원으로부터 단일 파장의 광 반송파를 발생시키는 단계;
    상기 광 반송파를 동일한 파장을 갖는 두 개의 광 반송파로 분리하는 단계;
    상기 두 개의 광 반송파 중 하나를 이용하여 DSB 신호와 억제된 광 반송파를 포함하는 DSB-SC 신호를 생성하는 단계;
    상기 두 개의 광 반송파 중 나머지 하나를 이용하여 단일 편광 성분의 광 반송파를 추출하는 단계;
    상기 단일 편광 성분의 광 반송파와 상기 DSB-SC 신호를 결합하여 광신호를 출력하는 단계; 및
    상기 광신호를 광전 변환하여 테라헤르츠 연속파 신호를 출력하는 단계
    를 포함하는 테라헤르츠 연속파 발생 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 광신호를 출력하는 단계는,
    상기 단일 편광 성분의 광 반송파의 편광을 유지하면서 상기 단일 편광 성분의 광 반송파와 상기 DSB-SC 신호를 결합하여 상기 광신호를 출력하는
    테라헤르츠 연속파 발생 방법.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 광신호를 출력하는 단계는,
    상기 DSB 신호와 상기 단일 편광 성분의 광 반송파가 편광각 차이를 갖고, 상기 DSB-SC 신호에 포함된 광 반송파와 상기 단일 편광 성분의 광 반송파가 위상 차이를 갖는
    테라헤르츠 연속파 발생 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 위상 차이는 상기 단일 편광 성분의 광 반송파와 상기 DSB-SC 신호의 전송 거리 차이를 이용하여 조절되는
    테라헤르츠 연속파 발생 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 단일 편광 성분의 광 반송파의 전송 거리 또는 파워를 조절하여 상기 광 반송파로 인한 잡음 성분을 감소시키는
    테라헤르츠 연속파 발생 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 편광각 차이가 최대값을 갖고, 상기 위상 차이가 90 내지 270°를 갖도록 조절되어 상기 광 반송파로 인한 잡음 성분을 감소시키는
    테라헤르츠 연속파 발생 방법.
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