Modern communication systems are divided into wired communication based on optical communication and wireless communication based on microwaves. However, electronic-based microwave engineering has limitations, such as low frequency coverage, low bandwidth, and high transmission loss. To overcome these disadvantages, microwave photonics, which interacts between microwave engineering and photonics, has emerged. Microwave technology based on photonics has the advantages of high frequency coverage, wide bandwidth, and low transmission loss, and it is free from electromagnetic interference.
In this dissertation, a novel principle of injection locking in a single mode FP-LD (SMFP-LD) is proposed and verified by demonstrating its application on a microwave photonics and radar system. Various optical technologies and optical active components for tunable microwave generation are considered, and their advantages, disadvantages, and limitations are discussed. The SMFP-LD possesses good characteristics in terms of power consumption, cost, and simplicity of implementation. Basic injection locking with non-linear dynamics is discussed theoretically, including important parameters, such as wavelength detuning, injection ratio, and phase for the stable and unstable operation of the SMFP-LD.
Various methods of photonic generation and microwave modulation using an external injected SMFP-LD are introduced. First, microwaves and millimeter waves are generated by injection locking of the SMFP-LD. The range of the generated microwaves and millimeter waves is measured from 5 GHz to 402 GHz with a signal-to-noise ratio of more than 25 dB. The signals generated by injection locking has the advantages of being able to tune the frequency with wavelength detuning and generate multiple signals simultaneously. However, the external injected beam not only takes time to change the wavelength but also has limited the wavelength tuning resolution since a change of the laser physical properties is generally required to change the wavelength of the external injection beam. Second, the frequencies of the generated microwaves and millimeter waves are controlled by unstable injection locking in the period-one (P1) oscillation state of the SMFP-LD. Every self-injected mode has a 3 GHz continuous tuning range with mode hopping of 15 GHz or 150 GHz depending on the mode-matching condition. Since the external beam power can be easily changed using an optical amplifier or an optical modulator, not only the generated signal can be easily tuned, but also wavelength modulation is possible. Third, multi-band linear frequency modulation (LFM) in the P1 oscillation state is experimentally demonstrated by modulating the external injected beam intensity with a sawtooth signal. The generated multi-band LFM signal has a bandwidth of 3 GHz in four center frequencies (35, 31, 27, and 25 GHz) with a total effective bandwidth of 12 GHz. The multi-band LFM has the advantages of improving the performances of radar, such as a range resolution, the maximum measurable and velocity. The wider bandwidth of the multi-band LFM radar system provides higher range resolution. The various different chirp rates of each frequency band can overcome a trade-off of the maximum measurable range and velocity. Compared to a conventional single-band LFM radar system, it has a wider total effective bandwidth, in which 6 times improved the range resolution (1.25 cm) was achieved. The maximum measurable velocity (49.8km/h), which is 3.2 times improved, was achieved with the fixed maximum measurable range of 15km. The above three methods of the microwave generation and modulation based on the SMFP-LD can be applied to various applications, such as radar systems, radio-over-fiber, biochemical sensors, satellite communication, warfare systems, and terahertz photonics.
현대 사회의 통신은 크게 광통신 기반의 유선통신과 마이크로파 기반의 무선통신으로 구분할 수 있다. 하지만 전자 공학 기반의 마이크로파는 낮은 주파수, 낮은 대역폭, 높은 전송 손실 등의 한계점을 지닌다. 이러한 단점을 극복하기 위해서 마이크로파 엔지니어링과 포토닉스를 융합한 마이크로웨이브 포토닉스 라는 학문이 등장하였다. 포토닉스 기반의 마이크로웨이브는 높은 주파수, 넓은 대역폭, 낮은 전송 손실 및 전자기파 간섭에 자유로운 장점을 가진다.
본 논문에서는 단일 모드 페브리 페롯 레이저 다이오드를 활용한 주입 잠금의 새로운 원리를 제안하고 검증하였으며, 마이크로파 포토닉스 및 레이더 시스템에 대한 응용에 활용하고자 한다. 조정가능한 마이크로파 생성을 위한 다양한 광학 기술 및 광학 구성 요소를 고려하여 그 장점, 단점 및 한계에 대해 논의하였다. 단일모드 페브리 페롯 다이오드는 전력소비, 비용 및 구현 단순성 측면에서 우수한 특성을 가지고 있다. 비선형 역학을 사용한 주입 잠금은 단일 모드 페브리 페롯 레이저 다이오드의 안정적 주입 잠금 및 불안정한 주입 잠금을 위한 파장 디튜닝, 주입 파워 및 위상과 같은 중요한 매개 변수에 따른 이론적 배경을 소개하고 실험적 검증을 진행하였다.
따라서 단일 모드 페브리 페롯 레이저 다이오드의 외부 광 주입을 통해 포토닉 마이크로파를 생성하고 변조하는 다양한 방식들을 소개하고자 한다. 첫번째로, 단일 모드 페브리 페롯 레이저 다이오드의 외부 광 주입 잠금을 통해 마이크로파와 밀리미터파를 생성하였다. 생성된 마이크로파 및 밀리미터파는 5GHz 부터 402GHz 영역에 해당하며 신호 대 잡음 비는 25 dB 이상으로 측정되었다. 주입 잠금으로 생성된 신호는 파장 디튜닝을 통해 생성되는 신호의 주파수를 조절할 수 있고 여러 신호를 동시에 생성할 수 있는 장점이 있다. 하지만 외부 주입 빔의 파장을 변화시키기 위해서 일반적으로 레이저의 물리적 변화가 요구되기 때문에 파장의 변화 시간 및 변화 해상도 등의 한계가 존재한다. 두번째로, 단일 모드 페브리 페롯 레이저 다이오드의 불안정한 주입잠금 상태인 1 주기 발진 상태를 통해 외부 광 파워를 통한 가변 마이크로파 및 밀리미터파의 주파수를 생성하였다. 모드 매칭 컨디션에 따라 자가 주입 잠금 모드는 15GHz, 혹은 150GHz 불연속적인 모드 호핑이 발생하며, 각각의 자가 주입 잠금 모드는 3GHz의 연속적인 튜닝이 가능함을 측정하였다. 외부 광 파워는 광 증폭기나 광 변조기를 통해 손쉽게 변화시킬 수 있기 때문에 가변 신호를 손쉽게 변화시킬 수 있을 뿐 아니라 외부 광 세기에 따른 파장 변조 또한 가능하다. 세번째로, 불안정한 주입 잠금 상태인 1주기 발진 상태에서 외부 주입 광 세기를 톱니 신호로 변조하여 다중 밴드 선형 주파수 변조가 가능함을 실험적으로 보여주었다. 생성된 다중 밴드 선형 4개의 중심주파수 (35, 31, 27, 25GHz)를 가지며 대역폭은 각각 3GHz로 총 유효 대역폭은 12GHz로 측정되었다. 생성한 다중 밴드 선형 주파수 변조는 레이더에 적용하여 거리 해상도, 최대 측정 거리, 최대 측정 속도 등의 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 레이더에 적용한 다중 밴드 선형 주파수 변조의 넓은 대역폭은 높은 거리 해상도를 제공하며, 주파수 밴드마다 다른 변조율은 트레이드 오프 관계에 있는 최대 측정 속도와 최대 측정 거리의 한계를 극복할 수 있다. 기존의 단일 밴드 선형 주파수 변조의 레이더 시스템과 비교했을 때 넓은 총 유효 대역폭을 가지기 때문에 6배 향상된 거리 해상도 (1.25 cm)를 달성하였다. 최대 측정 거리를 15km로 고정하였을 때 기존 대비 3.2배 향상된 최대 측정 속도 (49.8km/h)를 달성하였다. 위 세가지 방식을 통해 단일 모드 페브리 페롯 레이저 다이오드 기반의 마이크로파 신호를 생성 및 변조하였으며, 이는 레이더 시스템, 광섬유 기반 라디오, 바이오케미컬 센서, 인공위성 통신, 전쟁시스템, 테라헤르츠 포토닉스 등의 다양한 적용분야에 사용될 수 있다.
