KR101933145B1 - 자체 발진주파수를 이용한 광공진기에 안정화된 광전자 발진기 - Google Patents

자체 발진주파수를 이용한 광공진기에 안정화된 광전자 발진기 Download PDF

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Abstract

자체 발진주파수를 이용하여 레이저 주파수를 광공진기에 안정화하는 방법 및 이를 이용한 광전자 발진기를 개시한다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 레이저 다이오드의 출력광을 광전변조기를 통해 변조하여 광공진기를 투과시키고, 상기 광공진기의 출력광으로부터 맥놀이 신호를 추출하여 상기 광전변조기에 되먹임하는 광전자 발진기에 있어서, 상기 광전변조기를 통과한 광선의 일부를 검출하여 얻은 신호와 상기 맥놀이 신호를 비교하여 얻은 차이값을 기초로, 상기 레이저 다이오드의 출력주파수가 상기 광공진기에 안정화되도록 상기 레이저 다이오드의 출력광의 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 자체 발진주파수를 이용한 광공진기에 안정화된 광전자 발진기를 제공한다.

Description

자체 발진주파수를 이용한 광공진기에 안정화된 광전자 발진기{Opto-electronic Oscillator Stabilized on Optical Resonator Using Local Osillation Frequency}
본 실시예는 자체 발진주파수를 이용한 광공진기에 안정화된 광전자 발진기에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 광공진기를 이용한 광전자 발진기에 있어서 광전자 발진기 자체 신호를 이용하여 레이저 주파수를 광공진기에 안정화한, 자체 발진주파수를 이용한 광공진기에 안정화된 광전자 발진기에 관한 것이다.
이 부분에 기술된 내용은 단순히 본 실시예에 대한 배경 정보를 제공할 뿐 종래기술을 구성하는 것은 아니다.
광전자 발진기는 고주파에서 높은 안정도를 가지는 지연궤환 방식의 발진기로서, 보통은 광섬유를 이용하여 지연궤환을 얻는데, 광섬유는 별도의 마이크로 웨이브(Microwave) 대역통과필터를 사용해야 하고 큰 부피를 차지해 광전자 발진기의 체적화에 제약이 따른다. 이러한 제약을 피하기 위해 광공진기를 이용하여 지연궤환을 얻는 방법이 제안되었다.
광공진기를 광전자 발진기에 이용하기 위해서는 먼저 레이저의 주파수를 광공진기에 주파수 잠금(Frequency Locking)해야 한다. 광공진기의 공명신호에 레이저를 안정화하기 위해서는 별도의 독립적인 발진기를 이용하여 안정화하거나, 광전자 발진기 자체의 신호 주파수를 이용하였더라도 별도의 주파수 분주기(Frequency Divider)를 이용해야 한다.
본 실시예는, 광공진기를 이용한 광전자 발진기에 있어서, 광공진기의 공진 주파수와 레이저 주파수 간에 차이가 커지면 발진이 사라지는 문제를 해결하기 위해, 광전자 발진기의 신호를 이용하여 레이저 주파수를 광공진기에 안정화하는 방법 및 이를 이용한 광전자 발진기를 제공하는 데 주된 목적이 있다.
본 실시예의 일 측면에 의하면, 레이저 다이오드의 출력광을 광전변조기를 통해 변조하여 광공진기를 투과시키고, 상기 광공진기의 출력광으로부터 맥놀이 신호를 추출하여 상기 광전변조기에 되먹임하는 광전자 발진기에 있어서, 상기 광전변조기를 통과한 광선의 일부를 검출하여 얻은 신호와 상기 맥놀이 신호를 비교하여 얻은 차이값을 기초로, 상기 레이저 다이오드의 출력주파수가 상기 광공진기에 안정화되도록 상기 레이저 다이오드의 출력광의 주파수를 제어하는 것을 특징으로 하는 자체 발진주파수를 이용한 광공진기에 안정화된 광전자 발진기를 제공한다.
상기 광전자 발진기는 상기 광전변조기를 통과한 광선의 일부를 분리하는 광분할기, 상기 광분할기에서 분리된 광선을 검출하는 광검출기, 상기 광검출기의 출력신호와 상기 증폭된 맥놀이 신호를 비교하여 차이값을 출력하는 비교기 및 상기 차이값을 기초로 상기 레이저의 주파수를 제어하는 서보(Servo)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예의 다른 측면에 의하면, 반송파 역할을 하는 광선을 출사하는 파장가변의 레이저 다이오드(Laser Diode)와, 상기 광선을 RF 주파수로 변조해서 곁띠(Sideband)를 실어주는 광전변조기와, 상기 광전변조기에서 변조된 광선의 일부를 분리하는 광분할기(Beam Splitter)와, 상기 광분할기를 투과한 광선의 편광을 원형편광으로 바꾸어주는 1/4 파장판과, 상기 1/4 파장판을 투과한 광선을 입력받아 광공진기와, 상기 광공진기의 출력으로부터 맥놀이 신호를 검출하여 증폭하고, 증폭된 맥놀이 신호의 일부를 상기 변조기로 되먹임하는 주파수 잠금 회로(Frequency Locking Circuit)와, 상기 광분할기에서 반사된 광선을 검출하여 얻은 신호 및 상기 증폭된 맥놀이 신호 간의 비교값을 기초로 상기 레이저 다이오드의 출력광의 주파수를 제어하는 주파수 안정화 회로(Frequency Stabilization Circuit)를 포함하는 광전자 발진기를 제공한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 실시예에 의하면, 맥놀이 신호와 광공진기에서 반사되어 나온 광선으로부터 얻은 전기적 신호 간의 오차신호를 기초로 레이저 다이오드에 인가되는 전류의 세기를 제어함으로써, 별도의 독립적인 발진기를 이용하지 않고도 광공진기의 공진 주파수에 레이저 다이오드의 주파수를 안정화할 수 있다.
도 1은 광공진기를 이용한 광전자 발진기의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광공진기에 안정화된 광전자 발진기의 개략적인 구성도이다.
이하, 본 발명의 일부 실시예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 본 발명의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함', '구비'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 광공진기를 이용한 광전자 발진기의 개략적인 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 광공진기를 이용한 광전자 발진기(100)는 반송파 역할을 하는 광선을 출사하는 파장가변의 레이저 다이오드(Laser Diode; 110), 상기 광선을 RF 주파수로 변조해서 곁띠(Sideband)를 실어주는 광전변조기(120), 변조된 광선의 편광을 원형편광으로 바꾸어주는 1/4 파장판(130), 편광된 광선을 입력받아 특정 공진 주파수로 증폭된 광선을 출력하는 광공진기(150), 광공진기(150)를 투과한 광선을 검출하는 광검출기(160), 광검출기(160)의 출력인 맥놀이 신호를 증폭하는 증폭기(170), 증폭된 상기 맥놀이 신호를 상기 광전변조기에 변조신호로서 되먹임하는 주파수 잠금 회로(180)를 포함한다.
파장 가변의 레이저 다이오드(110)는 반송파 역할을 하는 빔을 출사하며, 전류변조 또는 PZT 전압 변화에 의한 주파수 변조방식으로 출력 주파수를 변화시킬 수 있다. 주파수를 미세 조정하는 데에는 전류변조방식이 유리하다.
광전변조기(120)는 레이저 다이오드에서 나오는 광선을 RF 주파수로 변조해서 곁띠(Sideband)를 실어준다. 즉, 레이저 다이오드의 출력광은 광전변조기에 의해 변조되어, 원래 레이저의 모드인 캐리어(Carrier)에 추가로 곁띠가 생긴다.
광전변조기(120)는 전자 소자와 함께 빛의 크기를 굴절률 변화로 조절할 수 있는 광학 소자가 같이 사용되며, 크게 보강/상쇄 간섭을 이용하는 마흐-젠더 간섭계(Mach-Zehnder Interferometer)와 공진 효과에 의한 상쇄 간섭을 이용하는 고리 공진기(Ring Resonator)방식이 사용될 수 있다. 본 실시예에서는 광전변조기(120)를 두어 레이저 다이오드(110)에서 나오는 광선을 변조하는 외부변조 방식을 이용하고 있으나, 레이저 다이오드(120)의 구동전류에 변조 신호를 중첩함으로써 레이저 광선 자체에 변조를 행하는 방법도 가능하다.
광공진기(150)는 페브리-페로 공진기(Fabry-Perot Resonator), 도파로 공진기, 진행파형 공진기 등으로 구현될 수 있다. 예컨대 페브리-페로 공진기는 두 개의 반사거울과 이 두 개의 반사거울 사이에 있는 이득 매질로 구성된다. 이득 매질에서 발생되는 빛은 공진기를 구성하는 반사 거울 사이에서 왕복하면서 이득 매질에 의해 특정한 파장의 빛이 계속적으로 증폭되게 된다. 공진기에 의해 미리 결정된 특정한 파장의 광선은 공진기의 양 끝에서 광선의 정상파 조건을 만족하는 파장의 광선이 선택되며, 이렇게 선택된 광선 중에서 이득 매질에 의해 증폭될 수 있는 파장의 광선이 외부로 출력된다.
도파로 공진기는 도파로에서 가이드 되고 출력면의 앞뒤에 반사면을 가진 것으로, 예를 들면 활성층이 두께 0.1~0.3㎛, 폭 2~10㎛의 구형 단면(결정의 벽개면)을 가진 길이 300㎛ 정도의 띠 구조를 하고 있으며, 띠를 따라서 결 모양의 면에 의해 빛을 선택 반사시키는 분포 반사형(Distributed Bragg Reflection: DBR) 또는 분포 궤환형(Distributed Feedback: DFB)의 구조를 하고 있다. 진행파형 공진기는 반사면 하나로 빛을 한 방향으로 진행시키기만 함으로써 결맞은(Coherent) 광을 얻도록 한 고이득 레이저로, ASE(Amplified Spontaneous Emission)형이라 한다. 파장 선택 공진기는 패브리-페로 공진기의 한쪽 반사 거울 대신 파장 선택용의 광소자, 즉 프리즘이나 회절 격자를 사용한 공진기이다.
이러한 광공진기(150)를 이용한 광발진기는 다음과 같이 동작한다.
레이저에서 나온 광선은 광전변조기(120)에서 위상변조된다. 그러면 레이저 광선은 원래 이 레이저의 모드(Mode)인 반송파에 추가로 곁띠가 생긴다.
변조된 신호에 포함된 반송파와 곁띠들은 광공진기(150)에서 증폭된 후 광공진기(150)의 공명조건을 만족하면 광공진기(150)를 투과한다. 이 반송파와 곁띠는 광공진기의 모드간격(Free Spectral Range)과 거의 일치하므로 모두 광공진기(150)를 통과한다. 다시 말해, 광공진기(150)를 통과한 이 반송파와 곁띠 두 모드는 광공진기(150)를 통과하는 동안 광공진기(150)의 라이프 타임(Life Time)만큼의 시간지연을 가진다.
이 투과된 광선을 광검출기(160)가 검출하여 반송파 주파수(Carrier Frequency)와 곁띠 주파수(Sideband Frequency) 간의 주파수 차이에 해당하는 맥놀이 신호를 출력한다. 이러한 맥놀이 신호를 증폭하여 다시 광전변조기(120)의 변조신호로서 되먹임된다. 이로써 광전자 발진기(100)가 구성된다.
그런데 이러한 광전자 발진기(100)에서 만일 레이저 다이오드(110)의 반송파 주파수가 변하여 광공진기(150)의 공진 주파수와의 차이가 커지면, 광공진기(150)에 입사된 변조된 신호가 광공진기(150)를 통과하지 못하게 되어 발진이 사라지게 된다. 이로 인해 별도로 레이저 다이오드(210)의 주파수를 광공진기(150)의 주파수에 안정화하는 것이 필요하며, 본 실시예에서는 광전자 발진기(100) 자신의 신호를 이용하여 레이저 다이오드(110)의 주파수를 광공진기(150)에 안정화하는 방법을 제시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 광공진기에 안정화된 광전자 발진기의 개략적인 구성도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 광공진기에 안정화된 광전자 발진기(200)는 도 1의 광전자 발진기(100)를 예시하여 설명하므로, 도 2에 도시된 레이저 다이오드(110), 광전변조기(120), 1/4 파장판(140), 광공진기(150), 제1광검출기(160), 증폭기(170) 및 주파수 잠금 회로(180)는 도 1의 각 구성에 대응된다.
본 실시예에서 레이저 다이오드(110)의 주파수를 광공진기(150)의 공진 주파수에 안정화하기 위해, 광전변조기(120)에서 변조된 광선으로부터 광공진기(150)에 입사될 광선과 주파수 안정화 회로에 입사될 광선으로 분리하는 광분할기(Beam Splitter; 210), 광분할기(210)에서 반사된 광선을 검출하는 제2광검출기(220) 및 증폭기(170)에서 증폭된 맥놀이 신호와 제2광검출기(220)의 출력 신호를 비교하여 산출한 오차신호를 기초로 레이저 다이오드(210)에 인가되는 전류의 세기를 제어하는 주파수 안정화 회로(Frequency Stabilization Circuit)를 포함한다.
주파수 안정화 회로는 제2광검출기(220)의 출력신호와 상기 증폭된 맥놀이 신호를 비교하여 오차신호를 산출하는 비교기(230) 및 산출된 오차신호를 기초로 레이저 다이오드에 인가되는 전류의 세기를 PID(Proportional-Integral-Derivative) 제어하는 PID 서보(PID Servo; 240)로 구성된다.
도 2에 도시된 바를 참조하여 본 실시예에 따른 광전자 발진기의 동작원리를 설명하면 다음과 같다.
증폭기(170)를 통해 증폭된 맥놀이 신호의 일부와 광공진기(150)에서 반사되어 나온 광선으로부터 수광소자를 통해 얻은 전기적 신호를 비교한 차이값을 기초로 PID 서보(240)를 통해 레이저 다이오드(110)로 되먹임한다.
예를 들어, 레이저 다이오드(110)에서 출사되는 광선의 파장이 광공진기(150)의 공진 주파수로부터 이탈한 때에는 제2광검출기(220)와 증폭기(170)의 출력 사이에 오차가 발생하고, 이 오차신호를 바탕으로 PID 서보(240)는 레이저 다이오드(110)에 인가되는 전류의 세기를 PID 제어함으로써, 레이저 다이오드의 출력광의 주파수를 제어한다. 이로써 레이저 다이오드(110)의 주파수는 광공진기(150)의 공진 주파수에 안정화된다. 이때 안정도는 광공진기(150)의 기계적인 안정도에 의해 결정된다.
이상의 설명은 본 실시예의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 실시예가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 실시예들은 본 실시예의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 실시예의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 실시예의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 실시예의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100: 광전자 발진기 110: 레이저 다이오드
120: 광전변조기 140: 1/4 파장판
150: 광공진기 160: (제1)광검출기
170: 증폭기 180: 주파수 잠금 회로
200: 광전자 발진기 210: 광분할기
220: 제2광검출기 230: 비교기
240: PID 서보

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 반송파 역할을 하는 광선을 출사하는 파장가변의 레이저 다이오드(Laser Diode)와, 상기 광선을 RF 주파수로 변조해서 곁띠(Sideband)를 실어주는 광전변조기와, 상기 광전변조기에서 변조된 광선의 일부를 분리하는 광분할기(Beam Splitter)와, 상기 광분할기를 투과한 광선의 편광을 원형편광으로 바꾸어주는 1/4 파장판과, 상기 1/4 파장판을 투과한 광선을 입력받는 광공진기와, 상기 광공진기의 출력으로부터 맥놀이 신호를 검출하여 증폭하고, 증폭된 맥놀이 신호의 일부를 상기 광전변조기로 되먹임하는 주파수 잠금 회로(Frequency Locking Circuit)와, 상기 광분할기에서 반사된 광선을 검출하여 얻은 신호 및 상기 증폭된 맥놀이 신호 간의 비교값을 기초로 상기 레이저 다이오드의 출력광의 주파수를 제어하는 주파수 안정화 회로(Frequency Stabilization Circuit)를 포함하는, 광전자 발진기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 주파수 안정화 회로는,
    상기 비교값을 기초로, 상기 레이저 다이오드에 인가되는 전류의 세기를 PID 제어하는 것을 특징으로 하는, 광전자 발진기.
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