광학 및 RF 응용 분야에서 마이크로파 주파수는 정보 전송부터 광빔 변조에 이르기까지 매우 다양한 용도로 사용됩니다. 이러한 응용 분야에는 주파수 가변성과 높은 스펙트럼 순도가 모두 요구됩니다. 상용 마이크로파 소스는 종종 이 두 가지 특성 사이에서 절충해야 합니다. 이와 비교하여 레이저와 같은 광원은 위상 잡음이 극히 낮으며, 이러한 광학적 순도를 마이크로파 영역에서도 구현하려는 많은 시도가 이루어졌습니다. 그러한 새로운 기술 중 하나가 전기광학 주파수 분할(eOFD)입니다.
IMRA America의 연구원들은 자신들의 독창적인 eOFD 방식을 지원하기 위해 다음과 같은 방법을 사용했습니다. 모쿠Liquid Instruments의 FPGA 기반 장치로, 빠르고 유연한 신호 처리 및 분석을 위한 재구성 가능한 테스트 및 측정 계측기 제품군을 제공합니다. 레이저 락 박스이를 통해 연구팀은 eOFD 장비가 장기간 동안 원자 기준에 안정적으로 고정되도록 할 수 있었습니다. 그 결과는 다음과 같습니다. 최근에 출판 됨 in 자연 통신 [1].
난제
광 주파수 분할(OFD)은 레이저와 같은 저잡음 광원을 사용하여 주파수 분할을 통해 스펙트럼 순도를 마이크로파 영역으로 전달하는 기술입니다. 이는 여러 경쟁 아키텍처가 존재하는 잘 연구된 기술입니다. 그러나 이러한 각 방법은 주파수 튜닝의 어려움이나 과도한 잡음과 같은 상당한 단점을 가지고 있습니다. 이는 OFD가 해결하고자 하는 문제와 동일한 문제로 이어집니다. 즉, 마이크로파 합성은 여전히 튜닝 가능성과 위상 잡음 사이에서 절충점을 찾아야 하는 상황에 놓여 있습니다.
유망한 OFD 후보인 eOFD는 마이크로파 소스를 사용하여 전기광학 변조기(EOM)를 구동하고, 이 EOM은 두 개의 톤으로 구성된 광 기준 신호를 변조합니다. 마이크로파 소스를 사용함으로써 사용자는 원하는 주파수를 선택할 수 있습니다. 특히, eOFD 신호는 광검출기로 측정되고, 그 출력은 마이크로파 소스에 피드백을 제공하여 광원에 맞춰 조정하는 데 사용됩니다. 그러나 이러한 피드백 방식은 튜닝 범위를 제한하고 상당한 루프 대역폭을 필요로 합니다. IMRA는 피드백 대신 피드포워드 잡음 제거를 사용하는 새로운 방식을 시도했습니다.
해법
그림 1에서 볼 수 있듯이, 연구팀은 eOFD 장치에 피드포워드 잡음 제거를 구현했습니다. 먼저, 마이크로파 소스에서 나오는 신호는 두 경로로 나뉩니다. 한 경로에서는 EOM을 통해 두 개의 광 기준음을 변조한 후 광 필터를 통과합니다. 이 변조는 마이크로파 주파수를 광 영역으로 증폭시켜 기준 간격(둘 다 약 300GHz)과 비교할 수 있게 합니다. 증폭 계수, 기준 간격 및 필터링을 신중하게 선택하면 포토다이오드는 광 기준음과 마이크로파 신시사이저의 위상 정보를 포함하는 단일 비트 신호를 수신합니다. 그런 다음 이 신호는 동일한 계수로 주파수를 나누어 다시 마이크로파 영역으로 변환됩니다. 그러나 이 신호에는 여전히 소스의 원래 위상 잡음이 포함되어 있습니다.
연구팀은 이렇게 얻은 비트 신호를 원래 마이크로파 신호의 위상 보정 버전과 혼합했습니다. 이렇게 하면 원래 소스의 위상 잡음이 제거되고 레이저 소스의 잡음만 남게 됩니다. 이 방법은 마이크로파 소스의 튜닝 기능을 유지하면서 위상 잡음을 보정하고 제거합니다.
그림 1. 고정 주파수 마이크로파 소스를 사용한 eOFD 설정으로 피드포워드 노이즈 제거를 보여줍니다. [1]에서 재인쇄되었습니다.
결과
연구팀은 발표된 결과에서 먼저 10GHz 고정 소스를 사용하여 자신들의 방식을 테스트하고 극히 낮은 위상 잡음을 보여주었습니다. 그런 다음 고정 소스 대신 시판되는 마이크로파 신시사이저를 사용하여 주파수 튜닝 가능성을 입증했습니다. 8GHz에서 16GHz에 이르는 1옥타브 범위에서 측정한 결과, 1kHz 이상의 오프셋에서 소스의 위상 잡음이 억제되어 더 높은 오프셋에서 위상 잡음 플로어가 -145dBc/Hz 미만으로 낮아졌습니다. 이 경우 지연 보상과 승수는 고정되어 있어 튜닝 과정에서 조정할 필요가 없었습니다. 하지만 원하는 주파수 톤에 맞춰 기준 레이저 사이의 주파수 분배기와 오프셋을 조정하면 잡음 플로어를 더욱 낮출 수 있을 것으로 예상됩니다.
그림 2. 위상 고정 루프 구현, eOFD 설정에 Moku 레이저 잠금 상자 및 원자 참조 추가. [1]에서 재인쇄.
마이크로파 신시사이저는 튜닝 가능성과 저잡음뿐만 아니라 장기간 안정성을 유지해야 합니다. 시중에 판매되는 대부분의 마이크로파 소스는 루비듐 원자 시계와 같은 초안정 소스에서 공급되는 외부 10MHz 기준 주파수에 맞춰 동기화할 수 있습니다. 연구팀은 그림 2에서 볼 수 있듯이 이러한 방식을 채택했습니다. 소프트웨어 정의 레이저 잠금 모듈인 Moku Laser Lock Box를 사용하여 피드백 루프를 구현했습니다. Laser Lock Box에는 기준 주파수 역할을 하는 내부 발진기가 내장되어 있습니다. 연구팀은 주파수 분배기의 출력을 Laser Lock Box에 입력하여 기준 발진기와 혼합합니다. 결과적으로 발생하는 오차 신호는 Laser Lock Box의 PID 컨트롤러를 거쳐 레이저에 피드백됩니다. 이 위상 고정 루프(PLL)는 두 광원의 주파수 간격을 제어하여 안정적인 상태를 유지합니다.
장시간에 걸쳐 주파수 안정성을 확보하기 위해 연구팀은 원자 기준 신호를 추가하여 마이크로파 소스와 Moku에 모두 입력했습니다. 그림 3에서 볼 수 있듯이, 위상 고정 루프와 원자 기준 신호를 구현한 결과 수백 초에 걸쳐 주파수 안정성이 향상되었습니다.
그림 3. 평균 시간에 따른 잔류 주파수 불안정성. Moku와 원자 기준을 사용하여 위상 고정 루프를 구현한 후 안정성이 여러 자릿수 향상되었습니다. [1]에서 재인쇄.
Moku의 도움으로 연구팀은 튜닝 가능하고, 저잡음이며, 장기간 안정적인 하이브리드 피드백/피드포워드 eOFD 아키텍처를 구현했습니다. 향후 초저지터 마이크로파 소스는 전자 분야에서 새로운 응용 분야를 가능하게 할 수 있을 것입니다.
참고자료
[1] Greenberg, J., Egbert, SC, McGrew, WF et al. 광학적으로 얻은 스펙트럼 순도를 갖는 가변형 마이크로파 주파수 합성. 국가위원회. 17, 8027 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-74912-1