KR101388727B1 - 펨토초 모드 잠금된 레이저 및 위상 동기 루프의 플라이휠 효과를 이용한 초저 위상 잡음 마이크로파 발진 방법 및 장치 - Google Patents

펨토초 모드 잠금된 레이저 및 위상 동기 루프의 플라이휠 효과를 이용한 초저 위상 잡음 마이크로파 발진 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

전자 신호원의 위상 잡음을 낮추기 위한 초저 위상 잡음 발진 방법 및 장치가 제시된다. 일 실시예에 따르면, 비선형 편광 회전을 이용한 모드 잠금 된 레이저를 이용하여 레이저 광 펄스를 생성하고, 외부 전압 제어 발진기와 상기 생성된 레이저 광 펄스 사이의 위상 차이를 검출한다. 이후, 검출된 상기 위상 차이 신호를 상기 외부 전압 제어 발진기에 피드백하여 상기 외부 전압 제어 발진기의 위상 잡음이 초저 위상 잡음을 갖는 광 펄스를 따라가도록 한다.

Description

펨토초 모드 잠금된 레이저 및 위상 동기 루프의 플라이휠 효과를 이용한 초저 위상 잡음 마이크로파 발진 방법 및 장치{Method and Apparatus for ultralow phase noise microwave oscillation using femtosecond mode-locked laser and flywheel effect of phase-locked loop}
본 발명은 전자 신호원의 위상 잡음을 낮추기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 휴대성 및 실용성을 갖추어 실제 산업, 휴대용 제품 및 국방에 응용하기 위한 초저 위상 잡음 발진 방법 및 장치에 관한 것이다.
위상 잡음이 매우 낮은 전자 신호원 (Electrical oscillator)은 위상 배열 안테나, 입자 가속기와 같은 거대 과학 시설에서부터 GPS, 레이다와 같은 정밀 국방 시스템에 매우 중요하다. 또한 스펙트럼 분석기, 신호 소스 분석기와 같은 고성능 계측장비에는 필수적인 요소이다. 따라서 전자 신호원의 위상 잡음을 낮추기 위한 여러 가지 방법이 연구되어왔다.
한국공개특허 10-2012-0113888호는 이러한 위상 잡음을 최소화하는 주파수 분할 방법에 관한 것으로, 위상 고정루프를 이용한 고주파 신호 생성기에서 위상 잡음을 개선하기 위해 위상 고정루프에 삽입되는 주파수 분할기에 대하여 기재하고 있다.
한편 펨토초 모드 잠금된 레이저에서 발생하는 광 펄스열은 이론적 구조상 단기간 타이밍/위상 잡음이 전자 신호원에 비해서 매우 낮기 때문에 광 펄스열을 이용하여 위상 잡음이 매우 낮은 전자 신호원을 생성하는 것에 대한 연구가 최근 활발히 진행되고 있다.
펨토초 모드 잠금된 레이저로부터 초저 위상 잡음 전자 신호를 합성하기 위해서는 크게 두 가지 기술적 문제점을 해결하여야 한다. 첫째로, 펨토초 모드 잠금된 레이저는 이론적으로는 매우 낮은 타이밍/위상 잡음을 가질 수 있으나, 실제로 낮은 타이밍 잡음을 갖도록 제작하기 위해서는 충분한 연구와 기술이 필요하다. 둘째로, 매우 낮은 타이밍/위상 잡음을 갖는 펨토초 모드 잠금된 레이저를 만들었다 하더라도 레이저의 광 펄스열을 전자 신호로 변환하는 과정에서 많은 양의 초과 위상 잡음이 첨가되는 문제가 있다. 위의 두 가지 문제에 의하여 그 동안 펨토초 레이저를 사용하여 합성한 전자 신호의 위상 잡음은 기존 최고성능의 전자 신호원들에 비하여 그다지 향상된 성능을 보이지 못하였다. 하지만 최근 몇 년간 세계 여러 곳에서 집중적인 연구 끝에 두 가지 문제점을 해결하여 기존의 최고 성능의 전자 신호원에 비하여 월등히 위상 잡음 성능이 향상된 초저 위상 잡음 발진기를 개발 할 수 있었으며 그 방법은 다음과 같다. 첫째, 펨토초 레이저의 위상 잡음을 별도의 고가의 광학 레퍼런스(reference)(초안정 공진기)에 동기화하여 광 영역에서의 위상 잡음을 획기적으로 낮추었다. 둘째, 광 펄스열을 전자 신호로 바꾸는 과정에 첨가되는 초과 위상 잡음을 줄이기 위하여, 초고속 레이저의 반복률 증배기, 별도의 전자 신호원의 플라이휠 효과 등을 이용한 기술을 사용하였다.
위의 방법들을 이용하여 미국국립표준기술연구소(NIST)에서는 고가의 광학 레퍼런스(초안정 공진기) 및 별도의 고성능 10 GHz 마이크로파 신호원 (사파이어 발진기)을 사용한 세계 최고 성능의 발진기를 제작하였으나 실제 활용성에는 몇 가지 중요한 문제점이 있다. 전 세계에 몇 대 밖에 만들 수 정도로 억대의 매우 고가의 장비 이며 부피가 매우 커서 휴대성, 범용성 및 실제 산업에서의 활용성이 매우 떨어진다. 따라서 극소수의 대규모 국립 연구소에서나 활용할 수 있고, 실제 산업, 휴대용 제품 및 국방에 응용하기에는 한계가 있다.
따라서 본 발명에서는 펨토초 모드 잠금된 레이저 및 위상 동기 루프의 플라이휠 효과를 이용하여, 휴대성 및 실용성을 갖추면서도 매우 낮은 위상 잡음을 갖는 발진 방법 및 장치를 제안한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 펨토초 모드 잠금된 레이저와 위상 동기 루프의 플라이휠 효과를 이용한 초저 위상 잡음 발진기의 개발에 관한 것이다. 본 발명에서 제안하는 초저 위상 잡음 발진 방법 및 장치는 최근 연구되고 있는 종래 기술에 비하여 휴대성 및 실용성을 갖추어 실제 산업, 휴대용 제품 및 국방에 응용할 수 있다.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 초저 위상 잡음 발진 방법은 모드 잠금 된 레이저를 이용하여 초저 위상 잡음을 갖는 레이저 광 펄스를 생성하는 단계와, 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호(microwave)와 상기 생성된 초저 위상 잡음을 갖는 레이저 광 펄스 사이의 위상 차이를 검출하는 단계 및 상기 검출된 위상 차이를 상기 외부 전압 제어 발진기에 피드백하여 상기 외부 전압 제어 발진기의 위상 잡음이 상기 초저 위상 잡음을 갖는 레이저 광 펄스를 따라가도록 하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 모드 잠금 된 레이저를 이용하여 초저 위상 잡음을 갖는 레이저 광 펄스를 생성하는 단계는 상기 모드 잠금 된 레이저의 공진기 분산 값이 미리 설정된 범위에 포함되고, 스트레치드 펄스 형태로 설계될 수 있다.
상기 외부 전압 제어 발진기의 위상 잡음이 상기 초저 위상 잡음을 갖는 상기 레이저 광 펄스를 따라가도록 하는 단계는 위상 동기 루프의 플라이휠 효과를 이용하여 상기 외부 전압 제어 발진기의 위상 잡음이 상기 레이저 광 펄스의 초저 위상 잡음을 따라가도록 할 수 있다.
상기 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호와 상기 생성된 초저 위상 잡음을 갖는 레이저 광 펄스 사이의 위상 차이를 검출하는 단계는 서큘레이터를 통해 입력되는 광 펄스의 파워를 커플러에 의해 반으로 나누어 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스를 생성하는 단계와, 상기 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스가 상기 커플러를 통해 루프로 형성되는 루프 간섭계로 입력되고, 각각 상기 루프의 반대방향으로 진행하면서 상기 루프로 입력되는 상기 전자 신호에 의하여 위상이 변조되어 발생하는 광 위상 차이에 대한 정보를 광 세기 차이에 대한 정보로 변환하는 단계 및 균형 광 검출기를 이용하여 두 개의 광 다이오드를 통해 들어온 상기 광 세기 차이에 대한 정보를 전기 신호로 변환하고, 상기 광 펄스와 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호(microwave) 간의 타이밍 오차에 비례하는 전기 신호를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 광 위상 차이에 대한 정보를 광 세기 차이에 대한 정보로 변환하는 단계는 상기 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스가 상기 커플러에서 다시 합쳐질 때 발생하는 간섭 현상을 이용하여 상기 광 위상 차이에 대한 정보를 광 세기에 대한 정보로 변환할 수 있다.
상기 외부 전압 제어 발진기의 위상 잡음이 상기 초저 위상 잡음을 갖는 상기 레이저 광 펄스를 따라가도록 하는 단계는 상기 루프 간섭계로 상기 광 펄스와 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호(microwave)가 입력되고, 상기 제1 광 펄스의 위상이 위상 변조기에 의해 상기 전자 신호(microwave)의 전압에 비례하여 변조될 수 있다.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 초저 위상 잡음 발진 장치는 초저 위상 잡음을 갖는 레이저 광 펄스를 생성하는 스트레치드 펄스 모드 잠금 레이저 생성기와, 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호(microwave)와 상기 생성된 초저 위상 잡음을 갖는 레이저 광 펄스 사이의 위상 차이를 검출하는 위상 탐지기 및 상기 검출된 위상 차이를 상기 외부 전압 제어 발진기에 피드백하여 상기 외부 전압 제어 발진기의 위상 잡음이 상기 초저 위상 잡음을 갖는 레이저 광 펄스를 따라가도록 하는 위상 보상부를 포함할 수 있다.
상기 스트레치드 펄스 모드 잠금 레이저 생성기는 상기 스트레치드 펄스 모드 잠금 레이저 생성기의 공진기 분산 값이 미리 설정된 범위에 포함되고, 스트레치드 펄스 형태로 설계될 수 있다.
상기 위상 보상부는 위상 동기 루프의 플라이휠 효과를 이용하여 상기 외부 전압 제어 발진기의 위상 잡음이 상기 레이저 광 펄스의 초저 위상 잡음을 따라가도록 할 수 있다.
상기 위상 탐지기는 상기 레이저를 통해 입력되는 광 펄스를 순환시키는 서큘레이터와, 상기 입력되는 광 펄스의 파워를 커플러를 통해 반으로 나누어 제1 광 펄스 및 제 2 광 펄스를 생성하고, 루프로 형성되어 상기 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스를 각각 상기 루프의 반대방향으로 진행시킨 후, 상기 루프로 입력되는 전자 신호에 의하여 위상이 변조되어 발생하는 광 위상 차이에 대한 정보를 광 세기 차이에 대한 정보로 변환하는 루프 간섭계 및 두 개의 광 다이오드를 통해 들어온 상기 광 세기 차이에 대한 정보를 전기 신호로 변환함으로써 상기 광 펄스와 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호(microwave) 간의 타이밍 오차에 비례하는 전기 신호를 검출하는 균형 광 검출기를 포함할 수 있다.
상기 루프 간섭계는 상기 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스가 상기 커플러에서 다시 합쳐질 때 발생하는 간섭 현상을 이용하여 상기 광 위상 차이에 대한 정보를 광 세기에 대한 정보로 변환할 수 있다.
상기 루프 간섭계는 상기 루프 간섭계로 상기 광 펄스와 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호(microwave)가 입력되고, 상기 제1 광 펄스의 위상이 위상 변조기에 의해 상기 전자 신호(microwave)의 전압에 비례하여 변조되는 위상 변조기 및 상기 제1 광 펄스의 위상을 사분의 일 파장만큼 변화시키고, 상기 제2 광 펄스의 위상은 그대로 유지시키는 비가역 사분파장 바이어스를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따른 합성된 초저 위상 잡음 신호원은 광 원자시계, 고성능 계측 장비 등에 적용할 수 있으며, 위상 배열 안테나, 엑스레이 자유전자 레이저, 입자가속기와 같은 거대과학 시설에서부터 GPS, 레이다와 같은 정밀 국방 시스템에 이용되어 각 시스템들의 성능을 크게 향상시킬 수 있다.
도 1은 초저 위상 잡음 발진 장치의 구성 및 초저 위상 잡음 신호를 생성하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 펄스와 전자 신호 간 위상을 탐지하는 위상 탐지기를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저에 동기화된 전압 제어 발진기의 위상 잡음 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저에 동기화된 전압 제어 발진기의 절대위상 잡음의 실제 측정값을 나타내는 도면이다.
도 5는 초저 위상 잡음 발진 방법의 순서도이다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광 펄스와 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호 간의 위상 차이를 탐지하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서는 펨토초 모드 잠금된 레이저 및 위상 동기 루프의 플라이휠 효과를 이용하여, 휴대성 및 실용성을 갖추면서도 매우 낮은 위상 잡음을 갖는 발진기를 제안한다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 초저 위상 잡음 발진 장치의 구성 및 초저 위상 잡음 신호를 생성하는 동작을 설명하기 위한 도면이다. 더욱 상세하게는, 광 펄스와 전압 제어 발진기(voltage controlled oscillator, VCO)에서 나오는 마이크로파 간의 위상 차이를 탐지하여 전압 제어 발진기의 위상 잡음을 낮추는 과정을 나타내는 도면이다.
초저 위상 잡음 발진 장치는 전압 제어 발진기의 위상 잡음을 낮추기 위하여 위상 잡음이 매우 낮은 레이저를 생성한 후, 광섬유 광기반의 균형 광세기 탐지법에 기초한 위상 탐지기를 이용하여 광 펄스와 전자 신호 간의 위상 차이를 탐지할 수 있다. 광 펄스와 전자 신호 간의 위상 차이를 탐지한 후, 위상 동기루프 및 플라이휠 효과를 이용하여 전압 제어 발진기의 위상 잡음이 레이저의 위상 잡음을 따라가도록 할 수 있다.
도 1을 참조하면, 초저 위상 잡음 발진 장치는 스트레치드 펄스 모드 잠금 레이저 생성기(110), 위상 탐지기(180), 위상 보상부(190)를 포함할 수 있다.
스트레치드 펄스 모드 잠금 레이저(stretched pulse mode-locked laser) 생성기(110)는 지속 시간이 짧은 펄스를 내도록 조정된 것으로서, 도시된 바와 같이 반복률(repetition rate) Frep을 갖는 광 펄스열(optical pulse train)을 발생시킨다. 여기서 반복률이란 펄스와 펄스 사이의 시간 간격(주기)의 역수를 말한다. 예를 들어, 광 펄스열의 위상 잡음을 최소화 하기 위하여 스트레치드 펄스 모드잠금을 사용하며, 레이저 공진기의 분산값이 0에 가까운 값이 되도록 제작할 수 있다.
편광 제어기(polarization controller)는 스트레치드 펄스 모드 잠금 레이저(stretched pulse mode-locked laser) 생성기(110)를 통해 발생된 광 펄스의 편광상태를 편광자(polarizer)와 나란하게 되도록 조절하는 역할을 수행한다.
편광자의 입력 부분은 단일 모드 광섬유(Single Mode fiber)로 되어있고, 출력 부분은 편광 유지 광섬유(Polarization Maintaining fiber)로 되어있다. 편광자의 편광 상태는 편광 유지 광섬유의 광축(slow axis)에 맞춰져 있다. 따라서, 이 지점부터 광 펄스의 편광은 편광 유지 광섬유의 광축(slow axis)에 맞춰져서 진행될 수 있다.
위상 탐지기(180)는 서큘레이터(120), 루프 간섭계(130), 균형 광 검출기(140)를 포함할 수 있다. 스트레치드 펄스 모드 잠금 레이저(stretched pulse mode-locked laser) 생성기(110)를 통해 발생된 광 펄스는 서큘레이터(circulator)(120)를 통과한 뒤 커플러(131)를 통해 루프 간섭계(interferometer)(130)로 들어간다. 일 실시예에 따른 루프 간섭계(interferometer)(130)는 사냑 루프 간섭계(Sagnac loop interferometer)일 수 있다. 예를 들어, 50:50 커플러(coupler)(131)를 통해 사냑 루프 간섭계로 들어간 광 펄스는 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스로 파워가 반으로 나눠져 각각 시계방향과 반 시계방향으로 루프를 돈 후 다시 커플러(coupler)(131)에서 합쳐져서 서로 간섭이 일어날 수 있다. 사냑 루프(Sagnac loop) 간섭계의 역할은 서로 반대방향으로 진행하는 광 펄스의 위상 차이를 광 세기(optical intensity) 정보로 변환하는 것이다.
루프 간섭계는 커플러(131), 위상 변조기(phase modulator)(132) 및 비가역 사분파장 바이어스(nonreciprocal quadrature bias)(133)를 포함할 수 있다.
위상 변조기(132)로는 광 펄스와 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호(microwave)가 들어갈 수 있다. 이때 광 펄스와 타이밍이 비교되는 전자 신호(microwave)의 주파수는 펄스 반복률의 정수 배(FO = N×Frep)이어야 한다.
위상 변조기(132)는 전자 신호(microwave)의 전압에 비례하여 광 펄스의 위상을 변조할 수 있다. 이 때 위상 변조기(132)는 한쪽 방향으로 회전하는 광 펄스의 위상만 변조시키고 반대 방향으로 진행하는 펄스의 위상은 그대로 유지시킨다.
광 펄스는 위상 변조기(132)를 지난 후 비가역 사분파장 바이어스(nonreciprocal quadrature bias)(133)을 지나게 된다. 비가역 사분파장 바이어스(133)는 이분의 일 파장판(HWP: Half Wave Plate), 사분의 일 파장판(QWP: Quarter Wave Plate), 두 개의 시준기(collimator) 및 서로 다른 방향의 두 개의 패러데이 회전자(Faraday rotator)를 포함할 수 있다. 비가역 사분파장 바이어스(133)를 통하여 한쪽 방향으로 회전하는 광 펄스의 위상은 사분의 일 파장(90도)으로 변하고, 다른 방향으로 진행하는 펄스는 그대로 유지된다.
서로 반대 방향으로 진행한 광 펄스는 다시 50:50 커플러(131)에서 합쳐지며 간섭을 일으킨다. 합쳐진 광 펄스는 다시 두 개로 분리되어 한 펄스는 균형 광 검출기(balanced photodetector)(140)의 한쪽 광 다이오드로 들어가고 또 다른 펄스는 서큘레이터(120)를 거쳐서 균형 광 검출기(140)의 다른 광 다이오드로 들어갈 수 있다.
균형 광 검출기(140)는 두 개의 광 다이오드로 들어온 광 파워의 차이를 전압 신호로 바꿀 수 있다.
예를 들어, 위상 변조기(132)와 비가역 사분파장 바이어스(133)에 의하여 발생한 제1 광 펄스와 제2 광 펄스의 광 위상(optical phase) 차이에 대한 정보는 루프 간섭계(130)의 간섭 현상에 의하여 광 세기(optical intensity) 차이에 대한 정보로 변환되고, 균형 광 검출기(140)를 통하여 궁극적으로 광 펄스와 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호 사이의 타이밍 오차에 비례하는 전기 신호가 얻어진다. 균형 광 검출기(140)의 또 다른 역할은 레이저 자체의 공통 세기 잡음(common mode intensity noise)을 줄여서 타이밍 오차와 관련된 신호만 정밀하게 검출해내는 것이다.
위상 보상부(190)는 루프 필터(Loop filter)(150), 외부 전압 제어 발진기(VCO: Voltage control oscillator)(160), 파워 분배기(power splitter)(170)를 포함할 수 있다.
타이밍 오차에 비례하는 전기 신호를 루프 필터(Loop filter)(150)를 통해 전압 제어 발진기(VCO)(160)에 전달하면 오차를 줄이는 방향으로 VCO의 위상이 보상된다. 이후, 오차를 줄인 VCO의 출력 신호는 증폭기를 거친 후, 출력 주파수로 출력될 수 있다.
파워 분배기(power splitter)(170)는 위상이 보상된 전자 신호를 두 개로 나눠서 하나의 신호는 실제로 필요한 곳에서 이용되도록 하고 나머지 절반은 위상 탐지기로 피드백 시켜 위상 보상 시 사용할 수 있도록 한다.
따라서, 레이저의 타이밍 잡음 수준의 낮은 위상 잡음을 가지는 동기화된 전자 신호원을 합성할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광 펄스와 전자 신호 간 위상을 탐지하는 위상 탐지기를 나타내는 도면이다.
도면을 참조하면, 일 실시예에 따른 위상 탐지기(200)는 서큘레이터(120), 루프 간섭계(130) 및 균형 광 검출기(140)를 포함할 수 있다.
서큘레이터(120)는 레이저를 통해 입력되는 광 펄스를 순환시키는 역할을 수행한다. 여기서, 서큘레이터로(120)로 입력되는 광 펄스는 스트레치드 펄스 모드 잠금 레이저(stretched pulse mode-locked laser) 생성기(110)로부터 발생될 수 있다. 광 펄스의 편광 상태는 편광 제어기에 의해 편광자의 출력 부분에 구비되는 편광 유지 광섬유의 광축에 맞도록 조절될 수 있다.
커플러(131)는 서큘레이터(120)를 통해 입력되는 광 펄스의 파워를 반으로 나누어 제1 광 펄스 및 제 2 광 펄스를 생성한다.
루프 간섭계(130)는 루프 형태로 형성되어, 커플러(131)를 통해 입력되는 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스를 각각 루프의 반대방향으로 진행시키면서, 루프로 입력되는 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호에 의해 위상이 변조되어 발생하는 광 위상 차이에 대한 정보를 광 세기 차이에 대한 정보로 변환할 수 있다. 이때, 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스가 커플러(131)에서 다시 합쳐질 때 발생하는 간섭 현상을 이용하여 광 세기 차이에 대한 정보로 변환할 수 있다.
루프 간섭계(130)는 제1 광 펄스의 위상을 변조하고 제2 광 펄스의 위상은 그대로 유지함으로써 광 위상 차이에 대한 정보를 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스가 커플러(131)에서 다시 합쳐질 때 발생하는 간섭 현상을 이용하여 광 세기 차이에 대한 정보로 변환할 수 있다.
일 예로, 루프 간섭계는 도시된 바와 같이 커플러(131), 위상 변조기(132) 및 비가역 사분파장 바이어스(133)를 포함하는 사냑 루프 간섭계일 수 있다. 이 경우, 위상 변조기(132)는 광 펄스(220)와 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호(210)를 입력 받아 전자 신호(210)의 전압에 비례하여 제1 광 펄스의 위상을 변조할 수 있다.
비가역 사분파장 바이어스(133)는 제1 광 펄스의 위상을 추가로 사분의 일 파장만큼 변화시키지만 제2 광 펄스의 위상은 그대로 유지시킨다. 이를 위하여, 비가역 사분파장 바이어스(133)는 이분의 일 파장판(HWP: Half Wave Plate), 사분의 일 파장판(QWP: Quarter Wave Plate), 두 개의 시준기(collimator) 및 서로 다른 방향의 두 개의 패러데이 회전자(Faraday rotator)를 포함할 수 있다.
균형 광 검출기(140)는 광 세기 차이에 대한 정보를 전기 신호로 변환함으로써 광 펄스와 전자 신호원 간의 타이밍 오차에 비례하는 전기 신호(230)를 검출할 수 있다.
따라서, 본 발명에 따른 위상 탐지기(200)는 펄스 반복률의 정수배의 주파수를 갖는 임의의 전자 신호원의 위상 잡음을 측정할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저에 동기화된 전압 제어 발진기의 위상 잡음 영역을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 펨토초 모드 잠금된 광섬유 레이저로부터 초저 위상 잡음 전자 신호를 합성하는 과정은 크게 세 단계로 나눌 수 있다. 먼저, 타이밍 잡음(위상 잡음)이 최소화된 스트레치드 펄스 모드 잠금 레이저 생성기를 이용하여 레이저 광 펄스를 생성한다. 그리고, 레이저의 광 펄스를 전자 신호로 옮길 때 발생하는 추가 잡음을 최소화 하기 위하여 백그라운드 잡음이 매우 낮은 위상 탐지기를 사용하여 외부의 전압 제어 발진기와 레이저간의 위상 잡음을 측정할 수 있다. 이후, 검출된 위상 잡음을 전압 제어 발진기에 피드백하여 전압 제어 발진기의 위상 잡음을 낮출 수 있다. 이때, 레이저에 동기화된 전압 제어 발진기의 위상 잡음은 크게 세가지 영역으로 나뉜다.
동기화된 전압 제어 발진기의 절대 위상 잡음이 레이저의 위상 잡음을 따르는 제1 오프셋 주파수(offset frequency) 영역(310), 전압 제어 발진기 자체의 위상 잡음을 따르는 제3 오프셋 주파수(offset frequency) 영역(320), 그리고 제1 오프셋 주파수 영역과 제3 오프셋 주파수 영역 사이의 오프셋 주파수 영역은 동기화 할 때 사용하는 위상 검출기의 백그라운드 잡음을 따르는 제2 오프셋 주파수(offset frequency) 영역(330)으로 나뉜다.
동기화 되지 않은 전압 제어 발진기의 위상 잡음은 충분히 높은 오프셋 주파수 영역에서는 위상 탐지기의 백그라운드 잡음보다 낮을 수 있다. 따라서, 동기화 되지 않은 전압 제어 발진기의 위상 잡음과 위상 탐지기의 백그라운드 잡음과의 교차지점을 동기화 대역폭으로 할 경우, 동기화된 전압 제어 발진기의 절대 위상 잡음은 대역폭 안쪽에서는 레이저의 위상 잡음을 따르는 제 1 오프셋 주파수 영역(310), 위상 탐지기의 백그라운드 잡음을 따르는 제 2 오프셋 주파수 영역(330) 및 위상 동기 루프의 플라이휠 효과에 의해 대역폭 바깥부터는 전압 제어 발진기 자체의 위상 잡음을 따르는 제 3 오프셋 주파수 영역(320)을 포함할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저에 동기화된 전압 제어 발진기의 절대위상 잡음의 실제 측정값을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 레이저에 동기화된 전압 제어 발진기의 절대위상 잡음의 실제 측정값은 동기화된 전압 제어 발진기의 절대 위상 잡음은 대역폭 안쪽의 제 1 오프셋 주파수 영역(410)에서는 레이저의 위상 잡음을 따르고, 제 2 오프셋 주파수 영역(430)에서는 위상 탐지기의 백그라운드 잡음을 따르고, 위상 동기 루프의 플라이휠 효과에 의해 대역폭 바깥쪽의 제 3 오프셋 주파수 영역(320)부터는 전압 제어 발진기 자체의 위상 잡음을 따르는 것을 확인할 수 있다.
도 5는 초저 위상 잡음 발진 방법의 순서도이다.
초저 위상 잡음 발진 방법은 모드 잠금 된 레이저를 이용하여 초저 위상 잡음을 갖는 레이저 광 펄스를 생성하는 단계(510), 레이저 광 펄스와 외부의 전자 신호간의 위상 차이를 탐지하는 단계(520), 탐지된 위상 차이의 정보를 외부 전자 신호원에 피드백하여서 외부 전자 신호의 위상 잡음을 레이저의 위상 잡음 수준으로 낮추는 단계(530)를 포함한다.
먼저, 비선형 편광 회전을 이용한 모드 잠금 된 레이저를 이용하여 레이저 위상 잡음이 매우 낮은, 초저 위상 잡음을 갖는 광 펄스를 생성한다(510). 모드 잠금된 레이저는 휴대성 및 범용성을 위하여, 가격이 저렴하고 널리 사용되고 있는 어븀 광섬유 레이저를 사용할 수 있다. 종래 기술에 따른 연구 방식은 레이저의 타이밍 잡음을 줄이기 위하여 별도로 고가의 광학 레퍼런스를 이용하였다. 하지만, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 별도의 장비 없이 레이저 자체를 최적의 타이밍 잡음을 갖도록 하기 위하여 비선형 편광 회전을 이용한 모드 잠금을 하였고, 레이저 공진기 분산값이 '0' 이거나 또는, '0'을 기준으로 미리 설정된 범위 내에 포함되는 스트레치드 펄스형태로 설계할 수 있다.
그리고, 레이저 광 펄스와 외부의 전자 신호간의 위상 차이를 탐지한다(520). 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호(microwave)와 생성된 초저 위상 잡음을 갖는 레이저 광 펄스 사이의 위상 차이를 검출할 수 있다. 전압 제어 발진기의 위상 잡음을 낮추기 위하여 위상 잡음이 매우 낮은 레이저를 제작한 후, 광섬유 광기반의 균형 광세기 탐지법에 기초한 위상 탐지기를 이용하여 광 펄스와 전자 신호 간의 위상 차이를 탐지할 수 있다. 이때, 레이저의 광 펄스를 전자 신호로 변환할 때 생기는 추가 잡음을 최소화 하기 위하여 백그라운드 잡음이 매우 낮은 위상 탐지기를 사용하여 외부의 전압 제어 발진기와 레이저간의 위상 잡음을 측정할 수 있다. 이후, 검출된 위상 잡음을 전압 제어 발진기에 피드백하여 전압 제어 발진기의 위상 잡음을 낮출 수 있다. 잡음을 최소화한 레이저를 만들어도 기존의 광 다이오드를 이용하여 직접 광 펄스를 전자 신호로 변환할 경우 광 다이오드에서의 진폭-위상 변환, 산탄 잡음 등에 의하여 초과 잡음이 들어가게 된다. 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 위상 동기 루프의 플라이휠 효과를 이용할 수 있다. 보통의 전압 제어 발진기는 오프셋 주파수가 레이저의 위상 잡음을 따르는 제1 오프셋 주파수 영역(310)에서는 레이저의 위상 잡음보다 훨씬 높은 위상 잡음을 가질 수 있다. 하지만, 충분히 높은 오프셋 주파수 영역에서는 광 펄스를 전자 신호로 변환하는 과정에서 제한되는 산탄 잡음 한계보다 낮은 위상 잡음을 갖고 있으므로, 전압 제어 발진기의 낮은 오프셋 주파수 영역의 위상 잡음만 레이저에 동기화할 수 있다. 따라서, 레이저에 동기화된 전압 제어 발진기의 위상 잡음은 레이저에 동기화한 대역폭보다 낮은 오프셋 주파수 영역에서는 레이저의 낮은 위상 잡음을 따라가다가 동기화 대역폭 바깥부터는 전압 제어 발진기 자체의 낮은 위상 잡음을 그대로 따라갈 수 있다. 레이저 광 펄스와 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호 간의 위상 차이를 탐지하는 단계는 도 5를 참조하여 상세히 설명한다.
이후, 탐지된 위상 차이의 정보를 외부 전자 신호원에 피드백하여서 외부 전자 신호의 위상 잡음을 레이저의 위상 잡음 수준으로 낮춘다(530). 검출된 위상 차이를 외부 전압 제어 발진기에 피드백하여 상기 외부 전압 제어 발진기의 위상 잡음이 초저 위상 잡음을 갖는 레이저 광 펄스를 따라가도록 할 수 있다. 루프 간섭계로 광 펄스와 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호(microwqve)가 입력되고, 외부 전압 제어 발진기의 위상 잡음은 위상 변조기를 통하여 전자 신호(microwqve)에 비례하여 변조될 수 있다. 광 펄스와 전자 신호 간의 위상 차이를 탐지한 후, 위상 동기루프 및 플라이휠 효과를 이용하여 전압 제어 발진기의 위상 잡음이 레이저의 위상 잡음을 따라가도록 할 수 있다. 실시예에 따르면, 스트레치드 펄스 모드 잠금 레이저 생성기는 지속 시간이 짧은 펄스를 내도록 조정된 것으로서, 반복률(repetition rate)을 갖는 광 펄스열(optical pulse train)을 발생시킬 수 있다. 여기서 반복률이란 펄스와 펄스 사이의 시간 간격(주기)의 역수를 말한다. 예를 들어, 광 펄스열의 위상 잡음을 최소화 하기 위하여 스트레치드 펄스 모드잠금을 사용하며, 레이저 공진기의 분산값이 0에 가까운 값이 되도록 제작할 수 있다.
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 레이저 광 펄스와 외부의 전자 신호 간의 위상 차이를 탐지하는 단계를 설명하기 위한 도면이다.
레이저 광 펄스와 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호 간의 위상 차이를 탐지하는 단계는 서큘레이터를 통해 입력되는 광 펄스의 파워가 커플러에 의해 반으로 나뉘어 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스가 생성되는 단계(610), 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스가 다시 합쳐질 때 발생하는 간섭 현상을 이용하여 광 위상 차이에 대한 정보를 광 세기 차이에 대한 정보로 변환하는 단계(620) 및 광 펄스와 전자 신호 간의 타이밍 오차에 비례하는 전기 신호를 검출하는 단계(630)를 포함한다.
위상 탐지기는 커플러를 이용하여 서큘레이터를 통해 입력되는 광 펄스의 파워를 반으로 나누어 제1 광 펄스 및 제 2 광 펄스를 생성한다(610). 그리고, 생성된 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스를 커플러를 통해 루프 형태로 형성되는 루프 간섭계로 입력하고, 각각 루프의 반대방향으로 진행시켜 제1 광 펄스의 위상을 루프 간섭계로 입력되는 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호에 따라 변조할 수 있다. 그리고, 제2 광 펄스의 위상은 그대로 유지함으로써 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스가 커플러에서 다시 합쳐질 때 발생하는 간섭 현상을 이용하여 광 위상 차이에 대한 정보를 광 세기 차이에 대한 정보로 변환할 수 있다(620). 이후, 균형 광 검출기를 이용하여 광 세기 차이에 대한 정보를 전기 신호로 변환함으로써 광 펄스와 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호 간의 타이밍 오차에 해당하는 전기 신호를 검출할 수 있다(630).
따라서 이와 같은 방법을 통하여 레이저 광 펄스 반복률의 정수배의 주파수를 갖는 임의의 전자 신호원의 위상 잡음을 탐지할 수 있고, 측정된 전자 신호원의 위상 잡음의 피드백 제어를 통하여 보상함으로써 레이저의 광 펄스열에 동기화되어 레이저의 낮은 위상 잡음을 가지는 전자 신호원을 합성할 수가 있다.
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 (12)

  1. 모드 잠금 된 레이저를 이용하여 초저 위상 잡음을 갖는 레이저 광 펄스를 생성하는 단계;
    외부 전압 제어 발진기의 전자 신호(microwave)와 상기 생성된 초저 위상 잡음을 갖는 레이저 광 펄스 사이의 위상 차이를 검출하는 단계; 및
    상기 검출된 위상 차이를 상기 외부 전압 제어 발진기에 피드백하여 상기 외부 전압 제어 발진기의 위상 잡음이 상기 초저 위상 잡음을 갖는 레이저 광 펄스를 따라가도록 하는 단계
    를 포함하는 초저 위상 잡음 발진 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 모드 잠금 된 레이저를 이용하여 초저 위상 잡음을 갖는 레이저 광 펄스를 생성하는 단계는,
    상기 모드 잠금 된 레이저의 공진기 분산 값이 미리 설정된 범위에 포함되고, 스트레치드 펄스 형태로 설계된
    초저 위상 잡음 발진 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 외부 전압 제어 발진기의 위상 잡음이 상기 초저 위상 잡음을 갖는 상기 레이저 광 펄스를 따라가도록 하는 단계는,
    위상 동기 루프의 플라이휠 효과를 이용하여 상기 외부 전압 제어 발진기의 위상 잡음이 상기 레이저 광 펄스의 초저 위상 잡음을 따라가도록 하는
    초저 위상 잡음 발진 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호와 상기 생성된 초저 위상 잡음을 갖는 레이저 광 펄스 사이의 위상 차이를 검출하는 단계는,
    서큘레이터를 통해 입력되는 광 펄스의 파워를 커플러에 의해 반으로 나누어 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스를 생성하는 단계;
    상기 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스가 상기 커플러를 통해 루프로 형성되는 루프 간섭계로 입력되고, 각각 상기 루프의 반대방향으로 진행하면서 상기 루프로 입력되는 상기 전자 신호에 의하여 위상이 변조되어 발생하는 광 위상 차이에 대한 정보를 광 세기 차이에 대한 정보로 변환하는 단계; 및
    균형 광 검출기를 이용하여 두 개의 광 다이오드를 통해 들어온 상기 광 세기 차이에 대한 정보를 전기 신호로 변환하고, 상기 광 펄스와 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호(microwave) 간의 타이밍 오차에 비례하는 전기 신호를 검출하는 단계
    를 포함하는 초저 위상 잡음 발진 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 광 위상 차이에 대한 정보를 광 세기 차이에 대한 정보로 변환하는 단계는,
    상기 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스가 상기 커플러에서 다시 합쳐질 때 발생하는 간섭 현상을 이용하여 상기 광 위상 차이에 대한 정보를 광 세기에 대한 정보로 변환하는
    초저 위상 잡음 발진 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 외부 전압 제어 발진기의 위상 잡음이 상기 초저 위상 잡음을 갖는 상기 레이저 광 펄스를 따라가도록 하는 단계는,
    상기 루프 간섭계로 상기 광 펄스와 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호(microwave)가 입력되고, 상기 제1 광 펄스의 위상이 위상 변조기에 의해 상기 전자 신호(microwave)의 전압에 비례하여 변조되는
    초저 위상 잡음 발진 방법.
  7. 초저 위상 잡음을 갖는 레이저 광 펄스를 생성하는 스트레치드 펄스 모드 잠금 레이저 생성기;
    외부 전압 제어 발진기의 전자 신호(microwave)와 상기 생성된 초저 위상 잡음을 갖는 레이저 광 펄스 사이의 위상 차이를 검출하는 위상 탐지기; 및
    상기 검출된 위상 차이를 상기 외부 전압 제어 발진기에 피드백하여 상기 외부 전압 제어 발진기의 위상 잡음이 상기 초저 위상 잡음을 갖는 레이저 광 펄스를 따라가도록 하는 위상 보상부
    를 포함하는 초저 위상 잡음 발진 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 스트레치드 펄스 모드 잠금 레이저 생성기는,
    상기 스트레치드 펄스 모드 잠금 레이저 생성기의 공진기 분산 값이 미리 설정된 범위에 포함되고, 스트레치드 펄스 형태로 설계되는
    초저 위상 잡음 발진 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 위상 보상부는,
    위상 동기 루프의 플라이휠 효과를 이용하여 상기 외부 전압 제어 발진기의 위상 잡음이 상기 레이저 광 펄스의 초저 위상 잡음을 따라가도록 하는
    초저 위상 잡음 발진 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 위상 탐지기는,
    상기 레이저를 통해 입력되는 광 펄스를 순환시키는 서큘레이터;
    상기 입력되는 광 펄스의 파워를 커플러를 통해 반으로 나누어 제1 광 펄스 및 제 2 광 펄스를 생성하고, 루프로 형성되어 상기 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스를 각각 상기 루프의 반대방향으로 진행시킨 후, 상기 루프로 입력되는 상기 전자 신호에 의하여 위상이 변조되어 발생하는 광 위상 차이에 대한 정보를 광 세기 차이에 대한 정보로 변환하는 루프 간섭계; 및
    두 개의 광 다이오드를 통해 들어온 상기 광 세기 차이에 대한 정보를 전기 신호로 변환하고, 상기 광 펄스와 외부 전압 제어 발진기의 전자 신호(microwave) 간의 타이밍 오차에 비례하는 전기 신호를 검출하는 균형 광 검출기
    를 포함하는 초저 위상 잡음 발진 장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 루프 간섭계는,
    상기 제1 광 펄스 및 제2 광 펄스가 상기 커플러에서 다시 합쳐질 때 발생하는 간섭 현상을 이용하여 상기 광 위상 차이에 대한 정보를 광 세기에 대한 정보로 변환하는
    초저 위상 잡음 발진 장치.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 루프 간섭계는,
    상기 상기 제1 광 펄스의 위상을 상기 전자 신호(microwave)의 전압에 비례하여 변조하는 위상 변조기; 및
    상기 제1 광 펄스의 위상을 사분의 일 파장만큼 변화시키고, 상기 제2 광 펄스의 위상은 그대로 유지시키는 비가역 사분파장 바이어스
    를 더 포함하는 초저 위상 잡음 발진 장치.
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