KR20220067508A - Chip-scale pulse generator with summing amplifier, and frequency locking method thereof - Google Patents

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Abstract

A chip-scale pulse generator comprises: a chip-scale resonator generating pulses from an input signal having a pump frequency under a resonance condition through nonlinear frequency conversion; a pump laser connected to the chip-scale resonator through an optical path, scanning the pump frequency according to a frequency scan voltage input to a piezoelectric transducer, stopping scanning the frequency when a pulse is generated in the chip-scale resonator, and fixing the pump frequency under the resonance condition based on a feedback voltage input to the piezoelectric converter; a feedback circuit measuring an intensity of the pulse generated by the chip-scale resonator and outputting a feedback voltage generated based on the intensity of the pulse; and a summing amplifier receiving the frequency scan voltage and the feedback voltage, adding the input voltages, and transmitting the sum of the input voltages to the piezoelectric transducer. According to the present invention, since the feedback voltage does not pass through a voltage amplifier, the feedback voltage can be quickly input to the pump laser without being limited by the amplification speed of the voltage amplifier.

Description

가산 증폭기를 포함하는 칩-스케일 펄스 생성기, 그리고 이의 주파수 잠금 방법{CHIP-SCALE PULSE GENERATOR WITH SUMMING AMPLIFIER, AND FREQUENCY LOCKING METHOD THEREOF}CHIP-SCALE PULSE GENERATOR WITH SUMMING AMPLIFIER, AND FREQUENCY LOCKING METHOD THEREOF

본 발명은 칩-스케일 펄스 생성기에 관한 것이다.The present invention relates to a chip-scale pulse generator.

칩-스케일 펄스 생성기는 펌프 레이저의 출력 신호를 칩-스케일 공진기에 입력하고, 칩-스케일 공진기의 강한 비선형을 이용하여 펄스를 발생시킨다. The chip-scale pulse generator inputs the output signal of the pump laser to the chip-scale resonator, and generates a pulse using the strong nonlinearity of the chip-scale resonator.

칩-스케일 펄스 생성기는 칩-스케일 공진기의 공진 조건을 찾기 위해 펌프 주파수를 스캔하고, 펄스가 생성되면 주파수 스캔을 멈춘다. 이때, 펄스 생성기의 성능을 높이기 위해 고품질 인자(High Quality factor)　공진기를 사용하는데, 고품질 인자 공진기일수록 펌프 레이저의 주파수 변화와 주변 환경 변화에 민감하다. 따라서, 시간에 따라 펄스 생성 조건이 변하지 않도록 피드백 회로를 통해 펌프 레이저의 주파수를 고정한다. The chip-scale pulse generator scans the pump frequency to find the resonance condition of the chip-scale resonator, and stops the frequency scan when a pulse is generated. In this case, a high quality factor resonator is used to increase the performance of the pulse generator, and the higher the quality factor resonator, the more sensitive to changes in the frequency of the pump laser and changes in the surrounding environment. Therefore, the frequency of the pump laser is fixed through the feedback circuit so that the pulse generation condition does not change with time.

하지만, 펌프 레이저의 압전소자변환기(Piezoelectric transducer, PZT)는 큰 피드백 전압을 입력받으면, 히스테리시스(hysteresis)　특성에 의해, 펄스 생성 조건이 다른 히스테리시스 커브로 이동해서 주파수 스캔을 하게 되는 문제가 있다. However, when the piezoelectric transducer (PZT) of the pump laser receives a large feedback voltage, due to the hysteresis 　 characteristic, it moves to a hysteresis curve with different pulse generation conditions and performs a frequency scan.

본 개시는 가산 증폭기를 포함하는 칩-스케일 펄스 생성기, 그리고 이의 주파수 잠금 방법을 제공하는 것이다.The present disclosure provides a chip-scale pulse generator including an addition amplifier, and a frequency locking method thereof.

본 개시는 주파수 고정을 위한 피드백 전압을 가산 증폭기(summing amplifier)를 통해 펌프 레이저로 입력하는 칩-스케일 펄스 생성기를 제공하는 것이다.The present disclosure provides a chip-scale pulse generator that inputs a feedback voltage for frequency fixing to a pump laser through a summing amplifier.

실시예에 따른 칩-스케일 펄스 생성기로서, 비선형 주파수 변환을 통해, 공진 조건의 펌프 주파수를 가진 입력 신호로부터 펄스를 생성하는 칩-스케일 공진기, 광 경로를 통해 상기 칩-스케일 공진기와 연결되고, 압전소자변환기로 입력되는 주파수 스캔 전압에 따라 펌프 주파수를 스캔하고, 상기 칩-스케일 공진기에서 펄스가 생성되면 주파수 스캔을 멈추고, 상기 압전소자변환기로 입력되는 피드백 전압을 기초로 상기 공진 조건의 펌프 주파수를 고정하는 펌프 레이저, 상기 칩-스케일 공진기에서 생성된 펄스 세기를 측정하고 상기 펄스 세기를 기초로 생성한 피드백 전압을 출력하는 피드백 회로, 그리고 상기 피드백 전압, 그리고 전압 증폭기에 의해 증폭된 상기 주파수 스캔 전압을 입력받고, 입력받은 전압들을 더해 상기 압전소자변환기로 전달하는 가산 증폭기를 포함한다.A chip-scale pulse generator according to an embodiment, a chip-scale resonator that generates a pulse from an input signal having a pump frequency of a resonance condition through nonlinear frequency conversion, is connected to the chip-scale resonator through an optical path, and is piezoelectric Scans the pump frequency according to the frequency scan voltage input to the element transducer, stops the frequency scan when a pulse is generated in the chip-scale resonator, and determines the pump frequency of the resonance condition based on the feedback voltage input to the piezoelectric element transducer A fixed pump laser, a feedback circuit that measures the pulse intensity generated by the chip-scale resonator and outputs a feedback voltage generated based on the pulse intensity, and the feedback voltage and the frequency scan voltage amplified by a voltage amplifier and an addition amplifier which receives the input, adds the input voltages and transfers the received voltages to the piezoelectric element transducer.

상기 칩-스케일 펄스 생성기는 임의 파형 발생기에서 출력된 전압을 증폭하고, 증폭된 상기 주파수 스캔 전압 상기 가산 증폭기로 입력하는 상기 전압 증폭기를 더 포함할 수 있다.The chip-scale pulse generator may further include the voltage amplifier amplifying the voltage output from the arbitrary waveform generator and inputting the amplified frequency scan voltage to the addition amplifier.

상기 피드백 전압은 상기 전압 증폭기를 통과하지 않고 상기 가산 증폭기로 입력될 수 있다.The feedback voltage may be input to the summing amplifier without passing through the voltage amplifier.

상기 피드백 회로는 상기 칩-스케일 공진기에서 생성된 펄스 세기를 측정하는 광 검출기, 그리고 상기 펄스 세기를 기초로 생성한 피드백 전압을 상기 가산 증폭기로 전달하는 루프 필터를 포함할 수 있다.The feedback circuit may include a photodetector that measures the pulse intensity generated by the chip-scale resonator, and a loop filter that transfers the feedback voltage generated based on the pulse intensity to the summing amplifier.

상기 펌프 레이저는 상기 칩-스케일 공진기에서 생성된 펄스의 펄스 유지 시간보다 빠른 시점에 상기 피드백 전압을 입력받을 수 있다.The pump laser may receive the feedback voltage at a point earlier than a pulse duration of a pulse generated by the chip-scale resonator.

실시예에 따른 칩-스케일 펄스 생성기는 압전소자변환기의 히스테리시스에 따라 입력 전압에 해당하는 주파수의 신호를 출력하는 펌프 레이저, 광 경로를 통해 상기 펌프 레이저와 연결되고, 비선형 주파수 변환을 통해, 공진 조건의 주파수를 가진 입력 신호로부터 펄스를 생성하는 칩-스케일 공진기, 주파수 스캔 전압을 증폭하는 전압 증폭기, 상기 칩-스케일 공진기에서 생성된 펄스 세기를 측정하고 상기 펄스 세기를 기초로 생성한 피드백 전압을 출력하는 피드백 회로, 그리고 상기 전압 증폭기 및 상기 피드백 회로와 연결되고, 상기 전압 증폭기 및 상기 피드백 회로로부터 입력된 전압들을 더해 상기 압전소자변환기로 전달하는 가산 증폭기를 포함한다.The chip-scale pulse generator according to the embodiment is connected to the pump laser through a pump laser outputting a signal of a frequency corresponding to the input voltage according to the hysteresis of the piezoelectric transducer, and the pump laser through an optical path, and through non-linear frequency conversion, resonance condition A chip-scale resonator that generates a pulse from an input signal having a frequency of and an addition amplifier connected to the voltage amplifier and the feedback circuit, and transferring the voltages input from the voltage amplifier and the feedback circuit to the piezoelectric element transducer.

상기 펌프 레이저는 상기 증폭된 주파수 스캔 전압에 따라 주파수 스캔을 하고, 상기 칩-스케일 공진기에서 펄스가 생성되면 주파수 스캔을 멈추고, 입력되는 상기 피드백 전압을 기초로 주파수를 고정할 수 있다.The pump laser may perform a frequency scan according to the amplified frequency scan voltage, stop the frequency scan when a pulse is generated in the chip-scale resonator, and fix the frequency based on the input feedback voltage.

상기 피드백 회로는 상기 칩-스케일 공진기에서 생성된 펄스 세기를 측정하는 광 검출기, 그리고 상기 펄스 세기를 기초로 생성한 피드백 전압을 상기 가산 증폭기로 전달하는 루프 필터를 포함할 수 있다.The feedback circuit may include a photodetector that measures the pulse intensity generated by the chip-scale resonator, and a loop filter that transfers the feedback voltage generated based on the pulse intensity to the summing amplifier.

상기 펌프 레이저는 상기 칩-스케일 공진기에서 생성된 펄스의 펄스 유지 시간보다 빠른 시점에 상기 피드백 전압을 입력받을 수 있다.The pump laser may receive the feedback voltage at a point earlier than a pulse duration of a pulse generated by the chip-scale resonator.

상기 펌프 레이저는 주파수 스캔 시마다 펄스 생성 조건이 동일한 히스테리시스 커브에서 주파수 스캔할 수 있다. The pump laser may perform a frequency scan on a hysteresis curve in which the pulse generation condition is the same for every frequency scan.

상기 전압 증폭기와 상기 가산 증폭기는 통합된 소자로 구현될 수 있다.The voltage amplifier and the summing amplifier may be implemented as an integrated device.

실시예에 따르면 피드백 전압이 전압 증폭기에 의해 증폭되지 않으므로, 압전소자변환기의 히스테리시스(hysteresis)　커브에서 큰 주파수 변화를 겪지 않고, 펄스 생성 조건의 변화를 줄여서 주파수를 안정적으로 고정할 수 있다.According to the embodiment, since the feedback voltage is not amplified by the voltage amplifier, the frequency can be stably fixed by reducing the change in the pulse generation condition without experiencing a large frequency change in the hysteresis 　 curve of the piezoelectric transducer.

실시예에 따르면 피드백 전압이 전압 증폭기를 통과하지 않으므로, 피드백 전압이 전압 증폭기의 증폭 속도로 제한되지 않고 펌프 레이저로 빠르게 입력될 수 있다.According to the embodiment, since the feedback voltage does not pass through the voltage amplifier, the feedback voltage is not limited to the amplification speed of the voltage amplifier and can be quickly input to the pump laser.

실시예에 따르면 피드백 전압이 전압 증폭기를 통과하지 않으므로, 전압 증폭기의 잡음에 의한 펌프 주파수 변화를 줄일 수 있어서, 우수한 성능의 펄스를 생성할 수 있다. According to the embodiment, since the feedback voltage does not pass through the voltage amplifier, a change in the pump frequency due to noise of the voltage amplifier can be reduced, so that a pulse with excellent performance can be generated.

수　GHz　이상의 칩-스케일 펄스 생성 기술은 아직 연구실 수준에서 이루어지고 있으나, 실시예에 따르면 상용화를 위해 요구되는 펄스 생성 확률을 높이고 장시간 안정도까지 확보할 수 있다. Although chip-scale pulse generation technology of several GHz or higher is still being performed at the laboratory level, according to the embodiment, it is possible to increase the pulse generation probability required for commercialization and to secure long-term stability.

도 1은 피드백 회로를 포함하는 펄스 생성기를 개념적으로 설명하는 도면이다.
도 2는 펌프 레이저의 압전소자변환기 동작을 설명하는 도면이다.
도 3은 가산 증폭기 기반의 칩-스케일 펄스 생성기의 구성도이다.
도 4는 가산 증폭기로부터 피드백 신호를 입력받는 펌프 레이저의 압전소자변환기 동작을 설명하는 도면이다.
도 5는 가산 증폭기와 전압 증폭기를 통과한 피드백 전압의 차이를 설명하는 도면이다.1 is a diagram conceptually explaining a pulse generator including a feedback circuit.
2 is a view for explaining the operation of the piezoelectric element transducer of the pump laser.
3 is a block diagram of a chip-scale pulse generator based on an additive amplifier.
4 is a view for explaining the operation of the piezoelectric element transducer of the pump laser receiving a feedback signal from the addition amplifier.
5 is a diagram for explaining a difference between a feedback voltage passing through an addition amplifier and a voltage amplifier.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the embodiments of the present invention will be described in detail so that those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains can easily implement them. However, the present invention may be embodied in several different forms and is not limited to the embodiments described herein. And in order to clearly explain the present invention in the drawings, parts irrelevant to the description are omitted, and similar reference numerals are attached to similar parts throughout the specification.

설명에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. In the description, when a part "includes" a certain component, it means that other components may be further included, rather than excluding other components, unless otherwise stated.

설명에서, 도면 부호 및 이름은 설명의 편의를 위해 붙인 것으로서, 장치들이 반드시 도면 부호나 이름으로 한정되는 것은 아니다.In the description, reference numerals and names are provided for convenience of description, and devices are not necessarily limited to reference numerals or names.

도 1은 피드백 회로를 포함하는 펄스 생성기를 개념적으로 설명하는 도면이고, 도 2는 펌프 레이저의 압전소자변환기 동작을 설명하는 도면이다.1 is a diagram conceptually illustrating a pulse generator including a feedback circuit, and FIG. 2 is a diagram illustrating an operation of a piezoelectric element transducer of a pump laser.

도 1을 참고하면, 칩-스케일 펄스 생성기(10)는 펌프 레이저(11), 임의 파형 발생기(Arbitrary Waveform Generator, AWG)(12), 전압 증폭기(13), 고품질 인자(High Quality factor)　공진기(14), 광 검출기(Photo Detector, PD)(15), 루프 필터(16)를 포함할 수 있다. 1, the chip-scale pulse generator 10 includes a pump laser 11, an Arbitrary Waveform Generator (AWG) 12, a voltage amplifier 13, a high quality factor 　 resonator ( 14), a photo detector (PD) 15 , and a loop filter 16 may be included.

칩-스케일 펄스 생성기(10)는 임의 파형 발생기(12)를 통해 펌프 레이저(11)의 펌프 주파수 fpump를 스캔하면서, 공진기(14)의 공진 조건을 찾아 펄스를 발생시킨다. 이때, 펌프 레이저(11)에 포함된 압전소자변환기(Piezoelectric transducer, PZT)가 전압에 따라 주파수를 가변하는데, 압전소자변환기는 큰 전압이 들어가야만 동작한다. 따라서, 칩-스케일 펄스 생성기(10)는 임의 파형 발생기(12)에서 출력된 주파수 스캔 전압을 전압 증폭기(13)로 증폭하여 펌프 레이저(11)의 압전소자변환기로 입력해야 한다.The chip-scale pulse generator 10 scans the pump frequency f pump of the pump laser 11 through the arbitrary waveform generator 12 , finds a resonance condition of the resonator 14 and generates a pulse. At this time, the piezoelectric transducer (PZT) included in the pump laser 11 changes the frequency according to the voltage, and the piezoelectric transducer operates only when a large voltage is applied. Therefore, the chip-scale pulse generator 10 should amplify the frequency scan voltage output from the arbitrary waveform generator 12 with the voltage amplifier 13 and input it to the piezoelectric transducer of the pump laser 11 .

공진기(14)에서 펄스가 생성된 이후, 주파수 스캔은 멈추고, 펌프 주파수가 공진 조건으로부터 벗어나지 않도록 피드백 회로가 동작한다. 즉, 칩-스케일 펄스 생성기(10)는 피드백 회로를 통해, 펌프 레이저(11)의 압전소자변환기(PZT)로, 피드백 전압을 입력하여, 펌프 레이저(11)의 주파수를 고정한다. 피드백 회로는 광 검출기(15) 및 루프 필터(16)로 구성되고, 피드백 회로를 통해 펌프 주파수를 주파수 잠금(frequency lock)할 수 있다. 이때, 광 검출기(15) 및 루프 필터(16)를 통해 생성된 피드백 전압은 전압 증폭기(13)를 통과하므로, 전압 증폭기(13)에 의해 N배 증폭될 수 있다.After the pulse is generated in the resonator 14, the frequency scan is stopped, and the feedback circuit is activated so that the pump frequency does not deviate from the resonant condition. That is, the chip-scale pulse generator 10 inputs a feedback voltage to the piezoelectric transducer PZT of the pump laser 11 through a feedback circuit to fix the frequency of the pump laser 11 . The feedback circuit is composed of the photodetector 15 and the loop filter 16, and can frequency lock the pump frequency through the feedback circuit. At this time, since the feedback voltage generated through the photodetector 15 and the loop filter 16 passes through the voltage amplifier 13 , it can be amplified N times by the voltage amplifier 13 .

한편, 주파수 스캔을 수행할 때마다 공진기(14)에서 생성된 펄스가 유지되는 시간과 펄스 세기가 변할 수 있어서, 피드백 시점과 펄스 유지 시간이 어긋날 수 있다. 또한, 전압 증폭기(13)의 증폭 속도가 정해져 있어서, 피드백 전압이 전압 증폭기(13)를 통과하는 경우, 피드백 전압이 즉시 펌프 레이저로 입력되지 않고, 전압 증폭기(13)에 의해 지연될 수 있다. 이 경우, 펄스 유지 시간에 비해 피드백 속도가 충분히 빠르지 않아서, 피드백 전압에 따라 펄스가 생성되지 못하고, 피드백 전압이 펌프 레이저(110)로 입력되기 전에 펄스가 사라질 수 있다. 이렇게 피드백이 어긋난 경우, 이를 보정하기 위한 피드백 전압이 순간적으로 큰 폭으로 변하는데, 피드백 전압이 전압 증폭기(13)에 의해 증폭되면, 100V 가까이 큰 전압이 펌프 레이저에 입력될 수 있다. Meanwhile, whenever a frequency scan is performed, the duration and pulse intensity of the pulses generated by the resonator 14 may change, so that the feedback timing and the pulse duration may be shifted. In addition, since the amplification speed of the voltage amplifier 13 is fixed, when the feedback voltage passes through the voltage amplifier 13 , the feedback voltage is not immediately input to the pump laser, but may be delayed by the voltage amplifier 13 . In this case, since the feedback speed is not sufficiently fast compared to the pulse holding time, a pulse may not be generated according to the feedback voltage, and the pulse may disappear before the feedback voltage is input to the pump laser 110 . In this case, when the feedback is misaligned, the feedback voltage for correcting it momentarily changes greatly. When the feedback voltage is amplified by the voltage amplifier 13 , a large voltage close to 100V may be input to the pump laser.

도 2를 참고하면, 펌프 레이저(11)의 압전소자변환기(PZT)는 전압-주파수 관계를 나타내는 히스테리시스 커브(20)를 가진다Referring to FIG. 2 , the piezoelectric element transducer (PZT) of the pump laser 11 has a hysteresis curve 20 indicating the voltage-frequency relationship.

압전소자변환기(PZT)는 현재 히스테리시스 커브에서 입력 전압을 기초로 펌프 주파수를 가변하면서 주파수 스캔을 진행하고, 공진기(14)에서 펄스가 생성되면, 주파수 스캔은 멈춘다(①).The piezoelectric transducer (PZT) performs a frequency scan while varying the pump frequency based on the input voltage in the current hysteresis curve, and when a pulse is generated in the resonator 14, the frequency scan stops (①).

그리고, 압전소자변환기(PZT) 광 검출기(15) 및 루프 필터(16)에서 생성한 피드백 전압을 입력고(②), 이를 기초로 펄스 생성 조건으로 주파수를 고정한다. 이때, 피드백 전압은 전압 증폭기(13)에 의해 증폭된 후, 압전소자변환기(PZT)로 입력된다. 피드백이 어긋난 경우, 순간적으로 큰 폭으로 변한 피드백 전압이 전압 증폭기(13)에 의해 증폭되므로, 현재 히스테리시스 커브의 끝까지 전압이 변할 수 있다.Then, the feedback voltage generated by the piezoelectric element transducer (PZT) photodetector 15 and the loop filter 16 is input (②), and the frequency is fixed as a pulse generation condition based on this (②). At this time, the feedback voltage is amplified by the voltage amplifier 13 and then input to the piezoelectric element transducer PZT. When the feedback is deviated, since the feedback voltage that has changed greatly in an instant is amplified by the voltage amplifier 13, the voltage can be changed to the end of the current hysteresis curve.

이후 주파수 스캔 시, 압전소자변환기(PZT)는 펄스 생성 조건이 변경된 히스테리시스 커브로 이동한다(③). After the frequency scan, the piezoelectric transducer (PZT) moves to the hysteresis curve in which the pulse generation condition is changed (③).

압전소자변환기(PZT)가 이전과 같은 입력 전압에서 펌프 주파수를 가변하면서 주파수 스캔을 진행하더라도, 펄스 생성 조건이 변경된 히스테리시스 커브에서 펄스 생성 주파수를 찾지 못한다(④). 따라서, 칩-스케일 펄스 생성기(10)는 현재 히스테리시스 커브에서 공진 조건을 만족하는 펌프 주파수를 찾기 위한 절차를 다시 진행해야 한다. Even if the piezoelectric transducer (PZT) performs a frequency scan while varying the pump frequency at the same input voltage as before, it cannot find the pulse generation frequency in the hysteresis curve in which the pulse generation condition is changed (④). Therefore, the chip-scale pulse generator 10 has to perform a procedure for finding a pump frequency that satisfies the resonance condition in the current hysteresis curve again.

다음에서, 피드백 전압을 가산 증폭기(summing amplifier)를 통해, 펌프 레이저로 입력하는 칩-스케일 펄스 생성기에 대해 자세히 설명한다.In the following, a chip-scale pulse generator that inputs a feedback voltage to a pump laser through a summing amplifier will be described in detail.

도 3은 가산 증폭기 기반의 칩-스케일 펄스 생성기의 구성도이고, 도 4는 가산 증폭기로부터 피드백 신호를 입력받는 펌프 레이저의 압전소자변환기 동작을 설명하는 도면이며, 도 5는 가산 증폭기와 전압 증폭기를 통과한 피드백 전압의 차이를 설명하는 도면이다.3 is a block diagram of an additive amplifier-based chip-scale pulse generator, FIG. 4 is a diagram illustrating the operation of a piezoelectric element converter of a pump laser receiving a feedback signal from an addition amplifier, and FIG. 5 is an addition amplifier and a voltage amplifier It is a figure explaining the difference of the passed feedback voltage.

도 3을 참고하면, 칩-스케일 펄스 생성기(100)는 칩-스케일 공진기(140)를 이용하여 펄스열(pulse train)을 생성한다. 칩-스케일 펄스 생성기(100)는 마이크로 공진기를 사용하여 생성되는 광 주파수 빗의 의미를 담아 마이크로콤(micorcombs)이라고 부를 수 있다. 칩-스케일 펄스 생성기(100)는 수십 마이크로미터에서 수 밀리미터 크기의 칩까지 10GHz에서 1THz 반복율로 펄스열을 생성할 수 있다.Referring to FIG. 3 , the chip-scale pulse generator 100 generates a pulse train using the chip-scale resonator 140 . The chip-scale pulse generator 100 may be called microcombs with the meaning of an optical frequency comb generated using a microresonator. The chip-scale pulse generator 100 may generate a pulse train at a repetition rate of 1 THz at 10 GHz to a chip having a size of several tens of micrometers to several millimeters.

칩-스케일 펄스 생성기(100)는 펌프 레이저(110), 임의 파형 발생기(AWG)(120), 전압 증폭기(130), 고품질 인자 공진기(140), 광 검출기(PD)(150), 루프 필터(160), 그리고 가산 증폭기(summing amplifier)(170)를 포함할 수 있다. The chip-scale pulse generator 100 includes a pump laser 110, an arbitrary waveform generator (AWG) 120, a voltage amplifier 130, a high quality factor resonator 140, a photodetector (PD) 150, a loop filter ( 160 , and a summing amplifier 170 .

펌프 레이저(110)는 테이퍼된(tapered) 섬유에 의해 공진기(140)에 결합되고, 편광은 공진기(140)로 조정된다. 펌프 레이저(110)는 연속파(Continuous Wave, CW) 신호를 출력하는 레이저일 수 있다. 펌프 레이저(110)에서 출력되는 신호의 주파수 fpump를 펌프 주파수라고 부를 수 있다.The pump laser 110 is coupled to the resonator 140 by a tapered fiber, and the polarization is adjusted to the resonator 140 . The pump laser 110 may be a laser that outputs a continuous wave (CW) signal. A frequency f pump of a signal output from the pump laser 110 may be referred to as a pump frequency.

펌프 레이저(110)는 압전소자변환기(PZT)를 포함하고, 임의 파형 발생기(120)에 의해 주파수 스캔한다. 펌프 레이저(110)는 주파수 스캔 전압을 입력받고, 압전소자변환기의 히스테리시스(hysteresis)에 해당하는 주파수의 신호를 출력한다. 압전소자변환기의 동작을 위해 필요한 전압을 만들기 위해, 임의 파형 발생기(120)의 주파수 스캔 전압은 전압 증폭기(130)에 의해 N배 증폭된다. The pump laser 110 includes a piezoelectric transducer (PZT), and is frequency-scanned by the arbitrary waveform generator 120 . The pump laser 110 receives a frequency scan voltage and outputs a signal of a frequency corresponding to hysteresis of the piezoelectric transducer. In order to make a voltage necessary for the operation of the piezoelectric transducer, the frequency scan voltage of the arbitrary waveform generator 120 is amplified N times by the voltage amplifier 130 .

펌프 레이저(110)는 주파수 스캔하면서 공진기(140)의 공진 조건에 해당하는 펌프 주파수를 찾고, 펄스가 생성되면, 주파수 스캔을 멈춘다. 이후, 펌프 주파수는 공진 조건으로부터 벗어나지 않도록 광 검출기(150) 및 루프 필터(160)를 통해 고정(주파수 잠금)된다.The pump laser 110 searches for a pump frequency corresponding to the resonance condition of the resonator 140 while scanning the frequency, and when a pulse is generated, the frequency scan is stopped. Thereafter, the pump frequency is fixed (frequency locked) through the photodetector 150 and the loop filter 160 so as not to deviate from the resonance condition.

공진기(140)는 칩-스케일의 실리카(silica) 마이크로 공진기일 수 있다. 공진기(140)는 고품질 인자(High Quality factor)　공진기일 수 있다. 공진기(14)는 FWM(four-wave mixing) 기반의 비선형 주파수 변환을 통해, 공진 조건의 주파수 신호로부터 펄스를 생성한다.The resonator 140 may be a chip-scale silica microresonator. The resonator 140 may be a high quality factor 　 resonator. The resonator 14 generates a pulse from a frequency signal under a resonance condition through nonlinear frequency conversion based on four-wave mixing (FWM).

광 검출기(150)는 공진기(140)에서 생성된 펄스의 세기 VPD를 측정한다. 루프 필터(160)는 펄스 세기 VPD를 기초로 피드백 전압을 생성한다. The photo detector 150 measures the intensity V PD of the pulse generated by the resonator 140 . The loop filter 160 generates a feedback voltage based on the pulse intensity V PD .

가산 증폭기(170)는 전압 증폭기(130)에 의해 증폭된 주파수 스캔 전압, 그리고 피드백 전압을 입력받고, 이들을 더한 전압을 펌프 레이저(110)의 압전소자변환기(PZT)로 입력하도록 구성된다.The summing amplifier 170 is configured to receive the frequency scan voltage amplified by the voltage amplifier 130 and the feedback voltage, and to input the added voltage to the piezoelectric element transducer (PZT) of the pump laser 110 .

가산 증폭기(170)는 칩-스케일 펄스 생성기(100)의 특성에 맞는 전압 범위, 응답 속도 등을 가지도록 설계 및 제작된다. The addition amplifier 170 is designed and manufactured to have a voltage range, response speed, etc. suitable for the characteristics of the chip-scale pulse generator 100 .

한편, 설명에서는 주로, 전압 증폭기(130)와 가산 증폭기(170)를 분리하여설명하나, 전압 증폭기(130)와 가산 증폭기(170)가 통합된 소자, 즉 통합 증폭기로 구현될 수 있다. 통합 증폭기 역시, 칩-스케일 펄스 생성기(100)의 특성에 맞는 응답 속도, 전압범위 등을 가지도록 설계 및 제작된다. 이때, 주파수 스캔 전압 범위를 이용하여 내부 증폭기의 응답 속도가 정해지고, 피드백 전압 범위 및 이의 응답 속도를 반영하여, 주파수 스캔 전압과 피드백 전압이 더해진 전체 전압 범위 및 전체 응답 속도가 정해질 수 있다.Meanwhile, in the description, the voltage amplifier 130 and the addition amplifier 170 are separately described, but the voltage amplifier 130 and the addition amplifier 170 may be implemented as an integrated device, that is, an integrated amplifier. The integrated amplifier is also designed and manufactured to have a response speed and a voltage range suitable for the characteristics of the chip-scale pulse generator 100 . In this case, the response speed of the internal amplifier may be determined using the frequency scan voltage range, and the entire voltage range and the overall response speed to which the frequency scan voltage and the feedback voltage are added may be determined by reflecting the feedback voltage range and the response speed thereof.

펌프 레이저(110)의 압전소자변환기(PZT)는 전압 증폭기(130)를 통과하지 않고, 가산 증폭기(170)를 통해 주파수 고정을 위한 피드백 전압을 입력받는다. 따라서, 피드백 전압이 압전소자변환기(PZT)로 입력되는 속도가 전압 증폭기(130)에 의해 제한되지 않고, 압전소자변환기(PZT)는 피드백 전압을 빠르게 입력받을 수 있다. 이를 통해, 펄스 유지 시간 동안에 피드백 전압에 따라 펄스가 생성되고, 펄스가 사라지기 전에 피드백 전압이 반영될 수 있다. 따라서, 피드백이 어긋나서 루프 필터(160)가 순간적으로 큰 폭의 피드백 전압을 출력하는 경우를 줄일 수 있다. 설사, 피드백이 어긋나서 루프 필터(160)가 순간적으로 큰 폭의 피드백 전압을 출력하더라도, 피드백 전압이 전압 증폭기(130)에 의해 증폭되지 않으므로, 압전소자변환기(PZT)가 항상 동일한 펄스 생성 조건을 가지는 히스테리시스 커브에서 안정적으로 주파수 스캔을 할 수 있다. The piezoelectric element transducer (PZT) of the pump laser 110 does not pass through the voltage amplifier 130 , but receives a feedback voltage for frequency fixing through the addition amplifier 170 . Therefore, the speed at which the feedback voltage is input to the piezoelectric transducer PZT is not limited by the voltage amplifier 130 , and the piezoelectric transducer PZT can receive the feedback voltage quickly. Through this, a pulse may be generated according to the feedback voltage during the pulse holding time, and the feedback voltage may be reflected before the pulse disappears. Accordingly, it is possible to reduce a case in which the loop filter 160 instantaneously outputs a large feedback voltage due to a deviation of the feedback. Even if the feedback is misaligned and the loop filter 160 instantaneously outputs a large feedback voltage, since the feedback voltage is not amplified by the voltage amplifier 130, the piezoelectric element transducer (PZT) always meets the same pulse generation conditions. The branch can perform frequency scan stably in the hysteresis curve.

도 4를 참고하면, 펌프 레이저(110)의 압전소자변환기(PZT)는 전압-주파수 관계를 나타내는 히스테리시스 커브(200)를 가진다.Referring to FIG. 4 , the piezoelectric element transducer PZT of the pump laser 110 has a hysteresis curve 200 indicating a voltage-frequency relationship.

펌프 레이저(110)의 압전소자변환기(PZT)는 히스테리시스 커브에서 입력 전압을 기초로 펌프 주파수를 가변하면서 주파수 스캔을 진행하고, 공진기(140)에서 펄스가 생성되면, 주파수 스캔은 멈춘다(①).The piezoelectric element transducer (PZT) of the pump laser 110 performs a frequency scan while varying the pump frequency based on the input voltage in the hysteresis curve, and when a pulse is generated in the resonator 140, the frequency scan stops (①).

그리고, 압전소자변환기(PZT)는 펄스 생성 조건으로 주파수를 고정하기 위해, 가산 증폭기(170)를 통해 피드백 전압을 입력받는다(②). 피드백이 어긋나서 피드백 전압이 큰 폭으로 변하더라도, 피드백 전압이 전압 증폭기(130)에 의해 증폭되지 않으므로, 압전소자변환기(PZT)는 현재 히스테리시스 커브 상에서 동작한다.Then, the piezoelectric element transducer (PZT) receives a feedback voltage through the addition amplifier 170 to fix the frequency as the pulse generation condition (②). Even if the feedback is shifted and the feedback voltage is greatly changed, since the feedback voltage is not amplified by the voltage amplifier 130 , the piezoelectric element transducer PZT operates on the current hysteresis curve.

이후 주파수 스캔 시, 압전소자변환기(PZT)는 히스테리시스 커브 변경에 의한 주파수 변화를 겪지 않으므로, 이전과 동일한 전압에서 주파수 스캔을 진행하여 펄스 생성 조건의 주파수를 찾을 수 있다(③).After the frequency scan, the piezoelectric element transducer (PZT) does not undergo a frequency change due to the change of the hysteresis curve, so it is possible to find the frequency of the pulse generation condition by performing a frequency scan at the same voltage as before (③).

도 5를 참고하면, 도 1의 전압 증폭기(13)를 통과한 후, 펌프 레이저(11)의 압전소자변환기(PZT)로 입력되는 피드백 전압(30)은, 전압 증폭기(13)의 증폭 속도에 제한받기 때문에 피드백 속도가 펄스 유지 시간보다 느려서, 펄스가 사라진다. 그리고, 피드백 전압(30)은 루프 필터(160)에서 생성된 전압보다 N배 증폭되기 때문에, 펄스 생성 조건이 다른 히스테리시스 커브로의 이동을 야기할 수 있다. 이처럼, 펌프 레이저(11)는 피드백 속도가 펄스 유지 시간에 비해 충분히 빠르지 않고 증폭된 피드백 전압(30)을 입력받으므로, 공진기(14)의 펄스 생성 조건을 유지하지 못해, 펄스가 사라진다. 즉, 한정된 펄스 유지 시간과 한정된 전압 범위 내에서 펌프 주파수가 고정되지 못하므로, 칩-스케일 펄스 생성기로서 동작할 수 없다. Referring to FIG. 5 , after passing through the voltage amplifier 13 of FIG. 1 , the feedback voltage 30 input to the piezoelectric transducer (PZT) of the pump laser 11 is dependent on the amplification speed of the voltage amplifier 13 . Because it is limited, the feedback rate is slower than the pulse duration, so the pulse disappears. In addition, since the feedback voltage 30 is amplified N times than the voltage generated by the loop filter 160 , the pulse generation condition may cause a shift to a different hysteresis curve. As such, the pump laser 11 does not maintain the pulse generation condition of the resonator 14 because the feedback speed is not fast enough compared to the pulse holding time and receives the amplified feedback voltage 30 , and the pulse disappears. That is, since the pump frequency cannot be fixed within a limited pulse holding time and a limited voltage range, it cannot operate as a chip-scale pulse generator.

반면, 도 3과 같이, 가산 증폭기(170)를 통해 펌프 레이저(110)의 압전소자변환기(PZT)로 입력되는 피드백 전압(300)은, 전압 증폭기(130)를 통과하지 않으므로 펄스 유지 시간보다 충분히 빠르게 입력된다. 따라서, 펌프 레이저(110)는 피드백 속도가 펄스 유지 시간에 비해 충분히 빠른 피드백 전압(300)을 입력받으므로, 공진기(140)의 펄스 생성 조건을 유지할 수 있다. 특히, 고품질 공진기일수록 펄스 유지 시간이 짧기 때문에, 가산 증폭기(170)를 통해 빠르게 펌프 주파수를 고정하는 것이 필수적이다. 또한, 피드백이 어긋나서 순간적으로 큰 피드백 전압이 생성되더라도, 피드백 전압(300)은 증폭되지 않으므로, 펌프 레이저(110)의 압전소자변환기(PZT)는 주파수 스캔 시마다 동일한 펄스 생성 조건을 가지는 히스테리시스 커브에서 안정적으로 주파수 스캔을 할 수 있다. On the other hand, as shown in FIG. 3 , the feedback voltage 300 input to the piezoelectric element converter PZT of the pump laser 110 through the addition amplifier 170 does not pass through the voltage amplifier 130 , so it is sufficiently longer than the pulse holding time. is entered quickly. Accordingly, the pump laser 110 receives the feedback voltage 300 having a feedback speed sufficiently fast compared to the pulse holding time, so that the pulse generation condition of the resonator 140 can be maintained. In particular, since a high-quality resonator has a shorter pulse duration, it is essential to quickly fix the pump frequency through the summing amplifier 170 . In addition, even if the feedback is shifted and a large feedback voltage is instantaneously generated, the feedback voltage 300 is not amplified, so the piezoelectric transducer (PZT) of the pump laser 110 is a hysteresis curve having the same pulse generation condition every frequency scan. It can perform frequency scan stably.

이와 같이, 실시예에 따르면 피드백 전압이 전압 증폭기에 의해 증폭되지 않으므로, 압전소자변환기의 히스테리시스 커브에서 큰 주파수 변화를 겪지 않고, 펄스 생성 조건의 변화를 줄여서 주파수를 안정적으로 고정할 수 있다.As such, according to the embodiment, since the feedback voltage is not amplified by the voltage amplifier, the frequency can be stably fixed by reducing the change in the pulse generation condition without experiencing a large frequency change in the hysteresis curve of the piezoelectric transducer.

실시예에 따르면 피드백 전압이 전압 증폭기를 통과하지 않으므로, 피드백 전압이 전압 증폭기의 증폭 속도로 제한되지 않고 펌프 레이저로 빠르게 입력될 수 있다.According to the embodiment, since the feedback voltage does not pass through the voltage amplifier, the feedback voltage is not limited to the amplification speed of the voltage amplifier and can be quickly input to the pump laser.

실시예에 따르면 피드백 전압이 전압 증폭기를 통과하지 않으므로, 전압 증폭기의 잡음에 의한 펌프 주파수 변화를 줄일 수 있어서, 우수한 성능의 펄스를 생성할 수 있다. According to the embodiment, since the feedback voltage does not pass through the voltage amplifier, a change in the pump frequency due to noise of the voltage amplifier can be reduced, so that a pulse with excellent performance can be generated.

수　GHz　이상의 칩-스케일 펄스 생성 기술은 아직 연구실 수준에서 이루어지고 있으나, 실시예에 따르면 상용화를 위해 요구되는 펄스 생성 확률을 높이고 장시간 안정도까지 확보할 수 있다. Although chip-scale pulse generation technology of several GHz or higher is still being performed at the laboratory level, according to the embodiment, it is possible to increase the pulse generation probability required for commercialization and to secure long-term stability.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있다.The embodiment of the present invention described above is not implemented only through the apparatus and method, and may be implemented through a program for realizing a function corresponding to the configuration of the embodiment of the present invention or a recording medium in which the program is recorded.

이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.Although the embodiments of the present invention have been described in detail above, the scope of the present invention is not limited thereto. is within the scope of the right.

Claims (11)

비선형 주파수 변환을 통해, 공진 조건의 펌프 주파수를 가진 입력 신호로부터 펄스를 생성하는 칩-스케일 공진기,
광 경로를 통해 상기 칩-스케일 공진기와 연결되고, 압전소자변환기로 입력되는 주파수 스캔 전압에 따라 펌프 주파수를 스캔하고, 상기 칩-스케일 공진기에서 펄스가 생성되면 주파수 스캔을 멈추고, 상기 압전소자변환기로 입력되는 피드백 전압을 기초로 상기 공진 조건의 펌프 주파수를 고정하는 펌프 레이저,
상기 칩-스케일 공진기에서 생성된 펄스 세기를 측정하고 상기 펄스 세기를 기초로 생성한 피드백 전압을 출력하는 피드백 회로, 그리고
상기 피드백 전압, 그리고 전압 증폭기에 의해 증폭된 상기 주파수 스캔 전압을 입력받고, 입력받은 전압들을 더해 상기 압전소자변환기로 전달하는 가산 증폭기
를 포함하는 칩-스케일 펄스 생성기.A chip-scale resonator that generates pulses from an input signal with a pump frequency in resonance condition through non-linear frequency conversion;
It is connected to the chip-scale resonator through an optical path and scans the pump frequency according to the frequency scan voltage input to the piezoelectric transducer, and when a pulse is generated in the chip-scale resonator, the frequency scan is stopped, and to the piezoelectric transducer A pump laser that fixes the pump frequency of the resonance condition based on the input feedback voltage;
a feedback circuit for measuring the pulse intensity generated by the chip-scale resonator and outputting a feedback voltage generated based on the pulse intensity; and
An addition amplifier that receives the feedback voltage and the frequency scan voltage amplified by a voltage amplifier, adds the input voltages, and transfers the received voltages to the piezoelectric transducer
A chip-scale pulse generator comprising a. 제1항에서,
임의 파형 발생기에서 출력된 전압을 증폭하고, 증폭된 상기 주파수 스캔 전압 상기 가산 증폭기로 입력하는 상기 전압 증폭기를 더 포함하는, 칩-스케일 펄스 생성기.In claim 1,
and the voltage amplifier amplifying the voltage output from the arbitrary waveform generator and inputting the amplified frequency scan voltage to the summing amplifier. 제2항에서,
상기 피드백 전압은 상기 전압 증폭기를 통과하지 않고 상기 가산 증폭기로 입력되는, 칩-스케일 펄스 생성기.In claim 2,
wherein the feedback voltage is input to the summing amplifier without passing through the voltage amplifier. 제1항에서,
상기 피드백 회로는
상기 칩-스케일 공진기에서 생성된 펄스 세기를 측정하는 광 검출기, 그리고
상기 펄스 세기를 기초로 생성한 피드백 전압을 상기 가산 증폭기로 전달하는 루프 필터를 포함하는, 칩-스케일 펄스 생성기.In claim 1,
The feedback circuit is
a photodetector for measuring the intensity of a pulse generated by the chip-scale resonator; and
and a loop filter for transferring a feedback voltage generated based on the pulse intensity to the summing amplifier. 제1항에서,
상기 펌프 레이저는
상기 칩-스케일 공진기에서 생성된 펄스의 펄스 유지 시간보다 빠른 시점에 상기 피드백 전압을 입력받는, 칩-스케일 펄스 생성기.In claim 1,
The pump laser
A chip-scale pulse generator that receives the feedback voltage at a point in time earlier than a pulse sustain time of a pulse generated by the chip-scale resonator. 압전소자변환기의 히스테리시스에 따라 입력 전압에 해당하는 주파수의 신호를 출력하는 펌프 레이저,
광 경로를 통해 상기 펌프 레이저와 연결되고, 비선형 주파수 변환을 통해, 공진 조건의 주파수를 가진 입력 신호로부터 펄스를 생성하는 칩-스케일 공진기,
주파수 스캔 전압을 증폭하는 전압 증폭기,
상기 칩-스케일 공진기에서 생성된 펄스 세기를 측정하고 상기 펄스 세기를 기초로 생성한 피드백 전압을 출력하는 피드백 회로, 그리고
상기 전압 증폭기 및 상기 피드백 회로와 연결되고, 상기 전압 증폭기 및 상기 피드백 회로로부터 입력된 전압들을 더해 상기 압전소자변환기로 전달하는 가산 증폭기
를 포함하는, 칩-스케일 펄스 생성기.A pump laser that outputs a signal of a frequency corresponding to the input voltage according to the hysteresis of the piezoelectric transducer;
a chip-scale resonator connected to the pump laser through an optical path and generating a pulse from an input signal having a frequency of a resonance condition through non-linear frequency conversion;
a voltage amplifier to amplify the frequency scan voltage;
a feedback circuit for measuring the pulse intensity generated by the chip-scale resonator and outputting a feedback voltage generated based on the pulse intensity; and
An addition amplifier connected to the voltage amplifier and the feedback circuit, and transferring the voltages input from the voltage amplifier and the feedback circuit to the piezoelectric transducer
A chip-scale pulse generator comprising a. 제6항에서,
상기 펌프 레이저는
상기 증폭된 주파수 스캔 전압에 따라 주파수 스캔을 하고, 상기 칩-스케일 공진기에서 펄스가 생성되면 주파수 스캔을 멈추고, 입력되는 상기 피드백 전압을 기초로 주파수를 고정하는, 칩-스케일 펄스 생성기.In claim 6,
The pump laser
A chip-scale pulse generator that performs a frequency scan according to the amplified frequency scan voltage, stops the frequency scan when a pulse is generated in the chip-scale resonator, and fixes the frequency based on the input feedback voltage. 제6항에서,
상기 피드백 회로는
상기 칩-스케일 공진기에서 생성된 펄스 세기를 측정하는 광 검출기, 그리고
상기 펄스 세기를 기초로 생성한 피드백 전압을 상기 가산 증폭기로 전달하는 루프 필터를 포함하는, 칩-스케일 펄스 생성기.In claim 6,
The feedback circuit is
a photodetector for measuring the intensity of a pulse generated by the chip-scale resonator; and
and a loop filter for transferring a feedback voltage generated based on the pulse intensity to the summing amplifier. 제6항에서,
상기 펌프 레이저는
상기 칩-스케일 공진기에서 생성된 펄스의 펄스 유지 시간보다 빠른 시점에 상기 피드백 전압을 입력받는, 칩-스케일 펄스 생성기.In claim 6,
The pump laser
and receiving the feedback voltage at a point in time earlier than a pulse duration of the pulse generated by the chip-scale resonator. 제6항에서,
상기 펌프 레이저는
주파수 스캔 시마다 펄스 생성 조건이 동일한 히스테리시스 커브에서 주파수 스캔하는, 칩-스케일 펄스 생성기.In claim 6,
The pump laser
A chip-scale pulse generator that performs frequency scans on a hysteresis curve with the same pulse generation conditions for every frequency scan. 제6항에서,
상기 전압 증폭기와 상기 가산 증폭기는 통합된 소자로 구현되는, 칩-스케일 펄스 생성기.
In claim 6,
wherein the voltage amplifier and the summing amplifier are implemented as integrated elements.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2012138472A (en) * 2010-12-27 2012-07-19 Advantest Corp Repetition frequency control device

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