광섬유 기반 RF 전송으로 NV 센서 제어 혁신

초록

본 논문은 전기광 변조기를 이용해 텔레콤 파장 레이저를 광섬유로 전송하고, 고속 포토다이오드에서 마이크로파를 복구하는 RF‑over‑Fiber(RFoF) 방식을 NV‑다이아몬드 센서에 적용한다. 2.90 GHz에서 1.81 %(‑0.7 dBm)의 전광 변환 효율을 달성했으며, 기존 동축 케이블 방식에 비해 저열, 전자기 간섭 감소 및 저온 환경 호환성을 제공한다.

상세 분석

이 연구는 광섬유를 매개로 마이크로파 신호를 전달하는 RF‑over‑Fiber(RFoF) 기술을 NV‑다이아몬드의 광학 검출 자기공명(ODMR) 제어에 적용한 최초 사례 중 하나이다. 핵심은 1310 nm 텔레콤 레이저를 마하‑젠더 전기광 변조기(EOM)로 강도 변조하고, 변조된 광을 단일모드 섬유를 통해 전송한 뒤, 고속 포토다이오드에서 전기 신호로 복구하는 구조이다. 실험에서는 광입력 47 mW에 대해 2.90 GHz에서 회수된 RF 출력이 –0.7 dBm였으며, 이는 전광 변환 효율 η_O→RF = 1.81 %에 해당한다.

전통적인 동축 케이블 방식은 고전압·고전류 전송 시 열부하와 전자기 간섭을 야기해 저온·고자기장 환경에서 제한적이다. 반면 RFoF는 전원 및 신호 발생 장치를 실험실 외부에 위치시켜 열전달을 최소화하고, 광섬유 자체가 전자기 차폐 역할을 수행한다. 또한 광섬유는 수십 킬로미터까지 손실이 적어 분산형 양자 네트워크에 자연스럽게 통합될 수 있다.

실험 결과는 두 가지 중요한 포인트를 보여준다. 첫째, RFoF를 통해 전달된 마이크로파가 NV‑센터의 스핀 전이를 충분히 구동할 수 있음을 입증했으며, –0.7 dBm 출력에서도 2.2 % 이상의 ODMR 대비를 얻었다. 이는 기존 동축 케이블에서 25 dBm 수준의 전력을 투입해야 얻는 대비와 비슷하거나 더 좋다. 둘째, 전력 의존적인 대비·라인폭 변화를 동일 안테나와 동일 광학 검출 조건에서 비교함으로써, RFoF가 전력 효율은 다소 낮지만 전자기 간섭 감소와 열부하 최소화라는 큰 장점을 제공함을 확인했다.

기술적 한계로는 변조 깊이와 포토다이오드의 선형성이 제한 요소로 작용한다는 점이다. 현재 EOM의 Vπ와 광입력 전력이 제한되어 전기 신호의 진폭이 충분히 크지 못해 전송 효율이 1.81 %에 머문다. 향후 고전력 레이저, 저손실 고속 포토다이오드, 그리고 위상 안정화된 광섬유 링크를 도입하면 효율을 수십 퍼센트 수준까지 끌어올릴 수 있을 것으로 기대된다. 또한 10 GHz 이상, 심지어 서브 THz 대역으로 확장하기 위해서는 광학 이종주파수 합성(heterodyne) 혹은 포토믹싱 방식을 병행해야 한다.

결과적으로 RFoF는 저온·고자기장 환경에서의 스핀 제어를 가능하게 하는 새로운 인프라로, 다중 노드 양자 센서 네트워크, 분산형 양자 메모리, 그리고 광‑마이크로파 하이브리드 양자 컴퓨팅 아키텍처에 필수적인 기술적 기반을 제공한다.