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고효율 광전자 오실레이터 개발
1980년대 초기, NASA 연구원은 수소 메이져(maser) 원자 시계에 의한 안정적인 신호가 광섬유를 통해 여러개의 안테나로 전달될 수 있음을 발견하였다. 이는 고주파(RF) 신호를 이용하여 각각의 안테나에서 수소 메이져를 설치하고, 유지하는데 사용되는 비용을 크게 절감할 수 있는 기술이다. 그러나 서로 수십 km 떨어져 있는 안테나들 사이의 거리를 일반적인 고주파 신호 전달을 위해 사용되는 동축 케이블로 연결하는 것은 손실이 너무 커서 실제적으로 사용이 불가능하다. 이를 위해, RF 신호를 레이져, 모듈레이터, 광섬유 등을 이용하여 인코딩하여 전달할 수 있음을 시연하였다. 이는 RF포토닉스 시스템의 실제적인 첫 구현이라는 평가를 받는다.
오실레이터(oscillator)는 정보를 전달하는 신호를 정확하게 만들어내는 장비로서, 진폭, 위상, 주파수를 가진 주기적인 파형을 만들어내는 장비이다. 이러한 오실레이터는 시스템에서 핵심적인 요소로 신호를 받고, 보내는 역할을 하며, 통신 시스템, 레이더, 신호 처리, 센서, 전파 천문등 전자기파를 이용하는 분야의 시스템에서는 반드시 필요한 장비이다. 특별히 거의 완벽한 사인파를 만들수 있는 정밀 오실레이터의 필요성이 증가하고 있으며, 이는 피드백 회로에서의 손실에 의해 큰 영향을 받는다. 고정밀 오실레이터를 위해서는 높은 Q-factor 공진기를 사용하여 피드백 회로의 에너지 사용을 최소화 해야한다. 압전성(piezoelectric) quartz 공진기는 10~100 MHz의 범위에서 대단히 높은 Q-factor를 가져, RF 시스템에 적합하다. 그러나, 출력의 주파수가 높아질수록, 공진기의 Q-factor는 감소하고, 따라서 정밀도 또한 감소하게 되는 어려움이 있다. JPL의 연구원들은 광전자 오실레이터(OEO; Optoelectronic Oscillator)라 불리는 새로운 방법의 고효율 오실레이터를 개발하여, 관심이 집중된다.
OEO는 전자부품보다는 손실이 훨씬 적은 광학 도파관과 광학 공진기를 사용하였다. 일반적인 OEO에서, 레이져에 의한 빛은 modulate되고 광검파기에 도달하기까지 긴 거리를 광섬유에 의해 전달된다. 광검파기의 출력은 증폭되고, 필터링, 위상등이 조정된뒤, 다시 모듈레이터로 들어가게 된다. 이 피드백 루프는 이득이 손실보다 크고, 회전하는 전파가 위상과 합쳐지면 self-sustained 오실레이션을 만들수 있게되는 원리이다. OEO 신호의 정확성은 루프(loop)의 Q-factor와 직접적인 관련이 있다.
대부분의 OEOs는 여전히 높은 정확도를 얻기위해 긴 길이의 광섬유를 사용한다. 사실 10 GHz의 oscillation을 정확히 얻기 위해서는 16 km의 광섬유 루프를 사용해야 한다. 이처럼 섬유 루프를 사용하는 단점은 위상 노이즈 스펙트럼에 나타나는 ‘수퍼 모드(super modes)’가 생기는 것인데, 이들 모드(modes)들은 이 오실레이터를 특정한 응용분야에서는 사용할 수 없도록 하는 단점이 있다. 이들 ‘수퍼 모드’를 억제하거나 없애는 두가지 효율적인 방법도 아울러 발표됐다. 한가지 방법은 섬유의 루프(loop)를 좁은 대역의 필터처럼 사용하는 방법이고, 다른 테크닉은 원하지 않는 모드를 필터하기 위해 높은 Q의 광학 캐비티(cavity)를 사용하는 것이다. 높은 Q-factor를 가진 Fabry-Perot 캐비티를 사용할수 있지만 좀더 편리한 ultrahigh-Q WGMRs을 사용하여 시연하였다.
WGMRs은 결정 재료로부터 만들어지며, Q-factor는 1E+9 이상되며, 최대 3E+11에 이를수 있다. OEO 스펙트럼에서 수퍼 모드 잡음을 제거하기 위해 효율적인 방법을 제공하기에 충분할 만큼 Q-factor는 좁다. WGMRs 테크놀로지에 기초한 광학 오실레이션 테크놀로지만이 현재 유일한 솔루션으로 간주되고 있으며, 특별히, 전기-광학 재료로 만들어진 높은-Q WGMRs를 이용한 OEOs는 동전보다 작은 크기로 높은 효율을 제공할 수 있다 ([그림 2]). 이 구조에서 30 GHz의 정확도가 높은 출력 신호를 만들수 있는 것으로 평가된다. 이들 소자들은 군사 플랫폼(small military flatform)에 응용될수 있으며, 곧이어 광대역 무선 통신 시스템과 같은 상업용 상품도 출시될 예정이다.
공진기에 기초한 OEO 설계의 장점은 on-chip 집적이 가능하다는 것이다. 이러한 방법으로 만들어진 오실레이터의 효율은 CMOS 공정에 의해 공정된 증폭기의 노이즈 효율에의해 제한된다. 현재 전자-포토닉 이종 집적 공정에 기초한 정확도가 대단히 높은 20 GHz 오실레이터를 개발중으로, 다양한 응용분야에 걸쳐 우수한 효율을 나타낼 것으로 그 귀추가 주목된다.
출처 : http://www.nature.com/nphoton/journal/v5/n12/full/nphoton.2011.293.html
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