초고안정 레이저와 위상동기 광섬유를 통한 주파수 드리프트 자동 보정 시스템

초록

본 논문은 초정밀 레이저의 서서히 변하는 주파수 드리프트를 실시간으로 보정하면서, 위상동기 광섬유(PCF)를 이용해 광신호의 위상·주파수 안정성을 획기적으로 향상시키는 통합 시스템을 제시한다. 3.3 km 현장 배치 섬유와 71 km 실험실 스풀에서 각각 σ₀≈1.9×10⁻¹⁶·τ⁻¹, 2.6×10⁻¹⁶·τ⁻¹의 화이트 위상 잡음 한계를 달성했으며, 일반 섬유 대비 위상 잡음을 최대 47.5 dB 억제한다. 레이저의 33.8 mHz/s 드리프트를 ≈0.05 mHz/s 수준으로 감소시켜 TF‑QKD에서 QBER를 73배 감소시키는 효과를 기대한다.

상세 분석

이 연구는 초안정 레이저(라인폭 ≈1 Hz, λ=1550 nm)의 서서히 진행되는 주파수 드리프트(≤50 mHz/s)를 광섬유 전송 중에 실시간으로 보정하는 두 가지 핵심 기술을 결합한다. 첫 번째는 양방향 전송 구조와 두 개의 아코스토익 옵틱 변조기(AOM1, AOM2)를 이용한 위상 잡음 억제이다. 레이저 빔을 90:10 비율로 분할하고, 10 %는 1 m 기준 섬유를 통해 거의 변형되지 않은 기준 신호로 사용한다. 나머지 90 %는 AOM1을 거쳐 전송 섬유(3.3 km 현장 혹은 71 km 스풀)를 통과한 뒤 AOM2에서 복귀한다. 복귀광은 파라데이 거울(Faraday mirror)과 함께 레이저와 간섭되어 인‑루프 비트 신호를 생성하고, 이 신호는 FPGA 기반 서보에 입력된다. FPGA는 GPS‑동기 루비듐 클럭(10 MHz)으로 동기화된 로우‑노이즈 로컬 오실레이터와 85 % 위상 잡음 억제 성능을 갖는 디지털 락‑인 증폭기를 포함한다.

두 번째 핵심은 ‘광 자기참조(self‑referencing)’ 기법이다. 인‑루프 비트 신호 f_PD1은 레이저 드리프트 Δf_dL, 섬유 위상 잡음 f_nF, 그리고 보정 주파수 f_cL·f_cF를 모두 포함한다. ADC(125 MSa/s)로 디지털 변환된 후, 로컬 오실레이터 주파수 f_LO를 조정해 f_PD1‑f_LO 차이를 저역통과 필터(≤113 kHz)로 추출한다. 이 차이는 −