[논문 리뷰] Photonic Generation of Ultrastable Microwave Signals

Tara M. Fortier, Matthew S. Kirchner외 9명|arXiv (Cornell University)|2011. 01. 19.

Advanced Fiber Laser Technologies참고 문헌 23인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 고Q 광학 공진기와 광학 주파수 조합을 사용하여 1초 간섭 시간에서 분수 주파수 불안정도가 8×10⁻¹⁶ 이하인 초안정적인 10 GHz 마이크로파 신호를 구현하는 광학 마이크로파 발진기를 제시한다. 이 방법은 광학에서 마이크로파로의 주파수 분할을 활용하여 냉각이 필요 없는 작동을 가능하게 하며, 최고의 마이크로파 발진기 수준의 성능을 달성한다.

ABSTRACT

There has been increased interest in the use and manipulation of optical fields to address challenging problems that have traditionally been approached with microwave electronics. Some examples that benefit from the low transmission loss, agile modulation and large bandwidths accessible with coherent optical systems include signal distribution, arbitrary waveform generation, and novel imaging. We extend these advantages to demonstrate a microwave generator based on a high-Q optical resonator and a frequency comb functioning as an optical-to-microwave divider. This provides a 10 GHz electrical signal with fractional frequency instability <8e-16 at 1 s, a value comparable to that produced by the best microwave oscillators, but without the need for cryogenic temperatures. Such a low-noise source can benefit radar systems, improve the bandwidth and resolution of communications and digital sampling systems, and be valuable for large baseline interferometry, precision spectroscopy and the realization of atomic time.

연구 동기 및 목표

• 냉각이 필요한 고성능 마이크로파 발진기 수준의 안정성을 가지되 냉각이 필요 없는 마이크로파 소스를 개발하기 위해.
• 일관된 광학 시스템의 낮은 위상 노이즈와 넓은 대역폭을 활용하여 마이크로파 신호를 생성하기 위해.
• 광학 주파수 조합을 광학에서 마이크로파로의 분할 기능으로 사용하는 광학적 접근을 통해 초안정 신호 합성을 구현하기 위해.
• 레이더, 통신 및 정밀 측정 시스템에서 요구하는 높은 스펙트럼 순도와 장기 안정성 확보를 위해.

제안 방법

• 광범위한 광학 주파수 조합을 생성하기 위해 고Q 광학 마이크로공진기를 사용한다.
• 광학 주파수 조합을 주파수 분할기로 활용하여 광 톤을 마이크로파 주파수로 변환한다.
• 조합선 간의 정밀한 간격과 锁정을 통해 광 영역에서 마이크로파 영역으로 위상 일관성 전달을 실현하기 위해 일관된 광학 검출을 활용한다.
• 광 조합 반복 주파수를 안정화하고 장기적인 마이크로파 안정성을 확보하기 위해 피드백 시스템을 사용한다.
• 신호 무결성을 유지하기 위해 저노이즈 광학 증폭 및 저손실 광검출을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고Q 광학 공진기와 광학 주파수 조합을 기반으로 한 광학 시스템이 최첨단 냉각 마이크로파 발진기 수준의 마이크로파 신호 안정성을 달성할 수 있는가?
• RQ2 고Q 공진기에서 광학 주파수 분할을 통해 생성된 마이크로파 신호의 분수 주파수 불안정도는 어느 정도까지 향상될 수 있는가?
• RQ3 기존 전자 마이크로파 발진기와 비교해 본다면, 이 광학 마이크로파 발진기의 위상 노이즈 및 장기 안정성 성능은 어떠한가?
• RQ4 냉각이 필요 없이 초안정적인 마이크로파 출력을 유지하면서 이 방법이 작동할 수 있는가?
• RQ5 광학 주파수 조합을 활용한 광학 마이크로파 생성 체인에서의 주요 제한 요소와 노이즈 원인은 무엇인가?

주요 결과

• 시스템은 1초 간섭 시간에서 분수 주파수 불안정도가 8×10⁻¹⁶ 이하인 10 GHz 마이크로파 신호를 생성한다.
• 달성된 안정성 수준은 최고의 마이크로파 발진기, 냉각이 필요한 것 포함하여 동등한 성능을 보인다.
• 이 방법은 실온에서 작동하여 일반적으로 고안정성 마이크로파 소스에 요구되는 냉각 장치가 필요 없음을 입증한다.
• 광학 주파수 조합을 통해 광 영역에서 마이크로파 영역으로의 정밀한 주파수 분할이 가능하며, 높은 위상 일관성이 유지된다.
• 고Q 광학 공진기를 사용함으로써 위상 노이즈가 감소하고 생성된 마이크로파 신호의 스펙트럼 순도가 향상된다.
• 낮은 위상 노이즈와 높은 안정성 덕분에 이 시스템은 레이더, 고대역폭 통신 및 정밀 스펙트로스코피 분야에 응용 가능성이 있음을 보여준다.