개요
베를린 훔볼트 대학교는 오랜 역사 동안 최첨단 과학 연구를 지원해 온 독일의 명문 공립 대학입니다. 이 대학은 물리학 분야에서 수많은 주요 혁신과 연관되어 있으며, 알베르트 아인슈타인을 비롯한 저명한 동문들을 배출했습니다. 통합 양자 센서 공동 연구소(www.iqs.berlin)의 박사 과정생인 줄리앙 클루게는 이 대학의 획기적인 연구 유산을 계승하는 데 매진하고 있습니다. 그는 광학 시계라고도 불리는 시간 및 주파수 기준 장치를 개발하고 있으며, 베를린에 위치한 세계적으로 유명한 응용 연구 센터인 페르디난트 브라운 연구소와 긴밀히 협력하고 있습니다. 이 연구소는 필요한 특성을 갖춘 레이저 광원을 개발 및 제공합니다. 독일 항공우주국(DLR)의 지원을 받는 연구 프로젝트를 통해 줄리앙은 우주 응용 분야와 글로벌 위치 확인 시스템(GNSS)에 사용될 수 있는 이동식 광학 시계를 개발하고자 합니다. 안정적이고 이동 가능한 광학 시계의 개발은 우주 항법을 발전시키는 동시에 통신과 같은 중요한 지상 응용 분야를 지원할 수 있는 새로운 가능성을 열어줍니다. 줄리앙은 이러한 선구적인 연구를 수행하기 위해 강력하고 유연한 기능을 활용합니다. Moku:Pro (그림 1). 이 고급 FPGA 기반 테스트 장치는 일반적인 벤치 필수품부터 고유한 필수 장비에 이르기까지 15개 이상의 소프트웨어 정의 장비를 제공하여 가장 실험적인 실험실 설정도 간소화합니다. 두 개의 Moku:Pro 장치를 사용하여 레이저 락 박스, 디지털 필터 박스, 락인 증폭기예산 및 PID 컨트롤러 악기와 관련해 Julien은 다양한 안정화 설정에 정밀 기기를 사용하여 연구를 발전시켰습니다.
그림 1: 락인 증폭기 기구 디스플레이가 있는 Moku:Pro 장치
난제
처음에 줄리앙과 그의 팀은 레이저 잠금에 흔히 사용되는 아날로그 방식의 자체 제작 잠금 전자 장치를 사용했습니다. 이 방식은 효과적일 수 있지만, 진행을 어렵게 만드는 수많은 문제점에 취약했습니다. 예를 들어, 실험실 온도가 아주 조금만 변해도 클록 신호가 바뀌어 잠금이 제대로 작동하지 않았습니다. 또한 아날로그 시스템은 구성이 복잡하고 조정하기 어려웠습니다. 정밀한 설정 때문에 팀은 귀중한 시간을 낭비해야 했고, 수많은 테스트를 자동화할 수 없었습니다. 모든 계산되고 세밀한 테스트는 수작업으로 진행해야 했기 때문에 상당한 시간과 노력이 필요했습니다. 반복적인 테스트를 수행하려면 팀은 실험 설정을 매번 새로 하고 데이터를 직접 기록해야 했습니다.
해법
수동 방법에서 Moku:Pro로 전환한 후 Julien과 그의 팀은 테스트와 로그 데이터를 원활하고 정확하게 자동화하는 새로운 기능 덕분에 상당한 시간을 절약하고 연구를 가속화했습니다. Moku:Pro는 신호를 디지털 방식으로 복조하고 온도 설정점과 관련된 문제 없이 올바른 주파수 측대역을 생성했습니다. 무엇보다도 이제 모든 것이 편리하고 이동 가능한 장치로 제어됩니다. iPad또한, 줄리앙과 그의 팀은 1년 동안 수동적인 방법으로 문제 해결을 시도했지만, 클럭 안정성을 개선하는 최적의 방법을 찾지 못했습니다. 아날로그 구성 요소의 DC 노이즈가 문제라는 것을 발견한 후, 디지털 신호 체인에 Moku:Pro를 도입하자 문제가 완전히 해결되었을 뿐만 아니라 온도 관련 문제도 개선되었습니다. 그들은 아날로그 설정을 변경하여 Moku:Pro 악기를 활성화했습니다. 다중 장비 모드 (그림 2). 그들은 먼저 디지털 필터 박스장비를 활용하여 광학 시계의 노이즈를 필터링한 다음 안정적인 신호를 생성하기 위해 두 개의 레이저 락 박스 장비(그림 3)에 신호를 전달했습니다.
그림 2: 레이저 안정화 시스템의 Moku:Pro 다중 장비 모드 설정
그림 3: 원자 시계 전환의 디지털 복조 응답을 보여주는 Moku:Pro 레이저 락 박스 설정
Moku:Pro로 전환한 후 Julien의 그룹은 Moku 악기에 프로그래밍 방식으로 액세스할 수 있게 되어 훨씬 더 효율적이 되었습니다. API 반복적인 수동 테스트를 줄이기 위해 연구팀은 Python을 사용하여 Moku:Pro를 제어하고, 테스트를 자동화하며, 소프트웨어 정의 계측 장비와 완벽하게 연동했습니다. 다중 계측 모드를 통해 단일 장비가 아닌 전체 테스트 설정을 자동화할 수 있었습니다. 줄리앙은 "다중 계측 모드는 우리에게 정말 필요한 유연성을 제공합니다."라고 말하며, "더 이상 케이블을 이리저리 엮을 필요가 없습니다!"라고 덧붙였습니다. 다중 계측 모드에서 Moku:Pro 록인 증폭기와 PID 컨트롤러를 도입한 후, 줄리앙은 시스템 안정성이 10배 이상 향상되었다고 언급했습니다. 또한 연구팀은 Moku:Pro 파형 발생기를 사용하여 정밀한 변조 주파수를 생성했습니다. 이 기술을 통해 줄리앙은 주파수 변조 분광법(이광자 분광법이라고도 함)을 수행하여 실험을 더욱 발전시킬 수 있었습니다.
결과
Moku:Pro에는 온도 변화에 강한 매우 정확하고 효율적인 안정기가 내장되어 있어 줄리앙이 1년 동안 골머리를 앓던 문제를 단 몇 초 만에 해결했습니다. 또한, 연구팀은 iPad로 Moku:Pro를 제어할 수 있다는 점에 만족했습니다. 덕분에 연구실 어디에서든 편리하게 데이터를 기록할 수 있었고, 실험대에서 벗어나 실험 결과를 관찰하고 확인하는 데 시간을 덜 쓸 수 있었습니다. 줄리앙은 "Moku는 우리가 원하던 바로 그 제품입니다."라고 말했습니다. 줄리앙은 앞으로도 Moku:Pro를 계속 사용하여 실험을 발전시킬 계획입니다. 한 대는 주파수 안정화를 지속적으로 수행하고, 다른 한 대는 연구실 구성원들이 디지털 필터 박스, 록인 증폭기, 스펙트럼 분석기 등의 장비를 다중 기기 모드에서 사용하여 노이즈를 분석할 수 있도록 배치할 예정입니다.