마이크로공진기 케르 광주파수 콤을 이용한 고차 RF 미분

초록

본 논문은 실리콘 기반 마이크로공진기에서 발생한 케르 광주파수 콤을 활용해 전송형 필터 구조를 구현하고, 이를 통해 마이크로파 및 라디오 주파수(RF) 신호의 1차·2차·3차 미분을 고속·고대역폭으로 수행함을 실험적으로 입증한다.

상세 분석

이 연구는 광학 주파수 콤을 전자기 신호 처리에 직접 적용하는 새로운 패러다임을 제시한다. 마이크로공진기(Kerr) 기반 콤은 단일 펌프 레이저 하나로 수백 개의 균일한 스펙트럼 라인을 생성할 수 있어, 전통적인 전자식 디지털 필터에 비해 훨씬 넓은 대역폭과 낮은 손실을 제공한다. 논문에서는 실리콘 질화물(Si₃N₄) 마이크로디스크 공진기를 설계하여 1550 nm 부근에서 약 200 GHz 자유 스펙트럼 간격(FSR)을 갖는 콤을 얻었다. 콤 라인 각각은 가변 감쇠와 위상 제어가 가능한 파형조정기(waveshaper)를 통해 미분 연산에 필요한 가중치(예: +1, –2, +1 등)로 조정된다. 이후 고감도 광섬유 디스퍼전 요소를 이용해 각 라인에 정밀한 시간 지연을 부여함으로써 전통적인 전송형 필터(TF)의 ‘탭’ 구조를 구현한다. 이때 지연 시간은 콤 라인 간 FSR와 디스퍼전 파라미터에 의해 결정되며, 수십 피코초 수준의 정밀도를 확보한다. 실험 결과는 5 GHz~30 GHz 대역에서 1차, 2차, 3차 미분 특성이 이론적 전송 함수와 일치함을 보여준다. 특히, 고차 미분에서 발생하기 쉬운 고주파 잡음과 위상 왜곡을 최소화하기 위해 콤 라인의 전력 균일성을 0.5 dB 이내로 유지하고, 광섬유 비선형 효과를 억제하기 위해 적절한 입력 전력을 최적화하였다. 또한, 시스템 전체의 신호대잡음비(SNR)는 20 dB 이상을 유지했으며, 전자식 구현 대비 전력 소모가 10배 이상 절감되는 장점을 확인했다. 이러한 결과는 광학 기반 RF 신호 처리의 실용화를 위한 핵심 기술로, 차세대 무선 통신, 레이더, 전자전(EW) 분야에서 실시간 고차 미분이 요구되는 신호 분석 및 변조 방식에 직접 적용 가능함을 시사한다.