광학

Scientific Reports 13권, 기사 번호: 8750(2023) 이 기사 인용

절대 광 주파수(AOF)를 보다 간단하고 정확하게 측정하는 것은 광 통신 및 내비게이션 시스템에 매우 중요합니다. 지금까지 AOF를 직접 측정하기 어렵기 때문에 12자리 정확도로 측정하기 위해서는 광학 참조 장치가 필요했습니다. 여기서는 포토닉스와 전자 장치 사이의 광대한 주파수 격차를 메울 수 있는 전기 광학 변조 빗에 중점을 둡니다. 우리는 주파수를 알 수 없는 레이저를 광 위상 변조기에 전달하기만 하면 RF 주파수 카운터를 사용하여 AOF를 12자리의 ​​정확도로 직접 측정할 수 있는 전례 없는 방법을 시연합니다. 이는 광학 참조 없는 광학 주파수 계측의 새로운 지평을 열 수 있습니다. 우리의 방법은 또한 기존 신호 발생기에서 100배의 위상 잡음 감소를 동시에 달성할 수 있습니다. 이는 무선 통신의 전송 속도가 약 7배 증가한 것과 같습니다.

코히어런트 레이더 시스템1, 2, 위상/클록 동기화3,8,5 및 고속 아날로그-디지털 변환1, 6, 7에서 전례 없는 수준의 저위상 잡음 마이크로파 생성에 대한 수요 증가로 인해 마이크로파 분야에 문제가 발생했습니다. -포토닉스 기술8. 레이더 시스템에서 드론과 같은 작은 물체를 추적하려면 10kHz 오프셋 주파수에서 -170dBc/Hz의 초저 위상 잡음을 갖는 10GHz 마이크로파가 필요합니다. 위상/클록 동기화에서 위상 잡음이 낮은 마이크로파 신호는 고주파 거래, 신뢰할 수 있는 타임 스탬핑5, 스마트 그리드9와 같은 전력 시스템, 데이터 센터의 분산 처리와 같은 전자 상거래에서 점점 더 중요해지고 있습니다. 보다 정확한 위상/클록 동기화10, 11를 위해 광학 격자 및 이온 시계와 같은 광학 시계가 미래의 마스터 시계12로 ITU-T에서 논의되었습니다. SDH(Synchronous Digital Hierarchy) 및 SONET(Synchronous Optical Network)은 광섬유를 사용하는 디지털 통신 네트워크의 표준 프로토콜입니다. SDH/SONET의 기본 프레임 크기는 프레임당 125μs로 정의됩니다13. 현재 세슘 마스터 클록의 주파수 정확도는 10-11입니다. 서로 다른 세슘 마스터 클록과 동기화된 두 개의 통신 장치가 데이터 읽기 및 쓰기를 수행하는 경우 디지털 신호를 읽는 현재 슬립 간격은 72일마다 발생합니다. 이에 비해 광학 격자 시계(주파수 정확도: 10~18)는 슬립 간격을 200만년으로 만들 수 있으므로 유지 관리가 필요 없는 마스터 시계가 됩니다. 통신 시스템은 기가헤르츠에서 킬로헤르츠까지의 주파수에서 작동하므로 마스터 클록의 광 클록 주파수(서브 페타헤르츠)를 정확하게 하향 변환해야 합니다. 속삭이는 갤러리 모드 파라메트릭 발진기, 광 주파수 분할, 광전 발진기, 온칩 브릴루앙 발진기 및 광 기준 공동과 같은 광자 기술을 기반으로 하는 일부 마이크로파 생성 방법이 보고되었습니다. 최근 연구에서는 초저잡음 모드 고정 광섬유 레이저를 기반으로 한 주파수 빗을 사용하여 초저잡음 마이크로파를 생성할 수 있음을 보여주었습니다. 이 방법은 12GHz에서 뛰어난 저잡음 마이크로파 생성을 달성하지만, 여러 세트의 대형 저잡음 광섬유 레이저 기반 주파수 빗으로 구성된 복잡한 장치를 최종 사용자에게 제공하기는 어렵습니다.

광주파수 계측 분야에서는 광주파수가 마이크로파 주파수보다 수만 배 정도 높기 때문에 RF 주파수 카운터를 사용하여 AOF를 직접 측정하는 것은 불가능했습니다. 1999년 이전에 AOF 카운터는 낮은 주파수를 순차적으로 곱하고 혼합하여 높은 주파수를 측정하는 광 주파수 체인을 사용했습니다. 측정에는 제어 회로 및 측정 도구 외에도 안정적인 레이저, 마이크로파 발진기 및 파장 변환 요소가 많이 필요했습니다. 1999년에는 OFC(Optical Frequency Comb)25,26,27,28가 등장하여 복잡한 광주파수 체인에 대한 관심이 극적으로 바뀌었습니다. N번째 빗살의 빈도 fN은 \({f}_{ceo}+N\times {f}_{rep}\)로 표현될 수 있습니다. 여기서 N, frep 및 fceo는 빗살 모드 번호입니다. 반복 주파수 및 CEO(캐리어 봉투 오프셋) 주파수입니다. OFC를 이용하여 주파수를 알 수 없는 레이저의 AOF를 측정하기 위해 N번째 빗살과 주파수를 알 수 없는 레이저 사이의 비트 주파수 \({f}_{b}\)를 측정합니다. 따라서 \(f\)는 \({f}_{ceo}+N\times {f}_{rep}\pm {f}_{b}\)로 설명됩니다. 실제로 빗살 모드 수 N은 알려지지 않은 레이저 소스에 가장 가까운 빗살 모드 수를 측정하여 결정할 수 있습니다. 이는 frep/2 내에서 OFC를 측정하기에 충분한 정밀도와 정확도를 갖춘 파장 측정기를 사용하거나, 일반적으로 frep를 크게 변경하면서 frep 및 fb를 측정하고 콤 모드 수의 변화를 계산하여 수행할 수 있습니다. MHz 정도. 전자의 방법은 매우 정확한 파장 측정기와 광학 기준 소스로 광 주파수 빗이 필요한 반면, 후자의 방법은 광학 기준 소스로 광 주파수 빗만 필요합니다. 그러나 후자의 방법은 frep를 크게 변화시키면서 콤 모드 수의 변화를 정확하게 계산해야 하기 때문에 복잡할 수 있습니다.