동적 분산 누적을 이용한 초고해상도·초저샘플링 마이크로파 측정 시스템

초록

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광섬유 루프에 분산 보상 섬유(DCF)를 다중 순환시켜 총 누적 분산을 –215 700 ps/nm까지 확대한다. 높은 누적 분산은 광신호의 챈프 레이트를 크게 낮출 수 있게 해, (1) 고정 대역폭에서 긴 시간 주기로 27.9 MHz의 기록적인 주파수 해상도를 달성하고, (2) 고정 시간 주기에서 낮은 챈프 레이트로 넓은 펄스를 생성해 4.63 GHz 오실로스코프만으로도 초협대 펄스를 포착한다. 듀티‑사이클 기법을 적용하면 100 GHz 이상 대역폭 확장도 가능하다.

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상세 분석

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본 논문은 기존 광‑마이크로파 측정 기술이 안고 있던 ‘주파수 해상도 vs. 분석 대역폭’ 및 ‘초협대 펄스 포착을 위한 고대역 오실로스코프 의존’이라는 두 축을 동시에 해소하기 위해 ‘동적 분산 누적(Dynamic Dispersion Accumulation, DDA)’이라는 새로운 설계 패러다임을 제시한다. 핵심 아이디어는 DCF(분산 보상 섬유)를 포함한 광섬유 루프에 챈프된 광신호를 여러 차례 순환시켜 누적 분산을 선형적으로 증가시키는 것이다. 누적 분산 D_total = N·D·L (N: 순환 라운드 수, D·L: 단위 섬유 분산) 로 표현되며, N을 128까지 늘리면 –215 700 ps/nm이라는 실험적 한계값에 도달한다.

이때 압축 조건 k = c · λ² / (2 · D_total) (k: 광신호 챈프 레이트) 에 의해 높은 누적 분산은 낮은 챈프 레이트를 허용한다. 낮은 챈프 레이트는 두 가지 운용 모드로 전환될 수 있다. 첫 번째는 ‘대역폭 고정, 시간 주기 연장’ 모드로, 분석 대역폭을 일정하게 유지하면서 챈프 레이트를 낮추면 압축된 펄스의 시간 간격이 늘어나 주파수 해상도가 27.9 MHz까지 향상된다. 이는 기존 30 MHz 수준(예: 450 000 ps/nm 누적 분산)보다 약 10 % 개선된 수치이며, 37 GHz의 분석 대역폭을 동시에 확보한다.

두 번째는 ‘시간 주기 고정, 대역폭 축소’ 모드이다. 챈프 레이트를 낮추면 압축 펄스 폭이 넓어져 179.8 ps 수준으로 확대되고, 이 펄스를 4.63 GHz 대역폭의 오실로스코프만으로도 정확히 샘플링할 수 있다. 즉, 고속 고대역 오실로스코프 없이도 실시간 측정이 가능해 비용 및 시스템 복잡도가 크게 감소한다.

또한 논문은 듀티‑사이클 인코딩을 도입해 펄스 사이에 비활성 구간을 삽입함으로써 ‘분석 대역폭 손실’을 보완한다. 듀티‑사이클을 1/2로 설정하면 유효 대역폭을 4.63 GHz에서 100 GHz 이상으로 확장할 수 있으며, 이는 기존 DCF 기반 시스템(최대 63 GHz) 대비 현저히 큰 진전이다.

실험 구성은 MZM을 이용한 CS‑DSB 변조, 광 스위치(OS1/OS2)로 인터미턴트 펄스 생성, 50:50 커플러와 EDFA를 통한 루프 손실 보상, 그리고 DCF(–1685.7 ps/nm) 삽입으로 이루어진다. 순환 라운드 수를 정밀 제어함으로써 누적 분산을 원하는 값으로 맞추고, 압축된 펄스 위치를 주파수-시간 매핑으로 해석한다. 결과적으로 128 라운드 순환 후 –215 770 ps/nm 누적 분산을 달성했으며, 8 ns 챈프 신호(4.63 GHz 대역)에서는 179.8 ps 펄스를, 64 ns 챈프 신호(대역폭 37.03 GHz)에서는 27.9 MHz 해상도를 확인했다.

핵심 기여는 (1) 순환 루프를 이용한 누적 분산 확대 방법론 제시, (2) 낮은 챈프 레이트를 활용한 두 가지 운용 모드 제공, (3) 듀티‑사이클 인코딩으로 대역폭·해상도 트레이드오프를 유연하게 조정 가능하게 함으로써 기존 광‑마이크로파 측정 시스템의 하드웨어 제한을 근본적으로 해소한 점이다. 향후 연구 과제로는 루프 자유 스펙트럼 레인지(FSR) 가변화 기술, 고속 광 스위치의 삽입 손실 최소화, 그리고 실시간 다중 신호 동시 측정을 위한 다중 루프 구조 설계 등이 제시된다.

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