Multifunctional microwave photonic processor with multichannel self-interference cancellation
본 논문은 인밴드 전이중(in-band full-duplex) 시스템을 위해 다채널 자기 간섭 제거, 주파수 하향 변환 및 영상 제거를 동시에 수행하는 이중 편파 이중 평행 마하-젠더 변조기 기반의 광 보조 다기능 마이크로파 프로세서를 제안하고 실험적으로 입증한다.
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무선 통신 세계에서 효율성은 궁극적인 목표입니다. 수십 년 동안 시스템은 무전기가 사용자들이 차례를 지켜 말하도록 강요하는 것과 마찬가지로, 메시지를 송신하고 수신하기 위해 시간이나 주파수를 나누는 방식에 의존해 왔습니다. 이 방식은 작동은 하지만, 전파의 잠재적 용량 중 절반을 낭비하게 됩니다. 인밴드 풀 듀플렉스(in-band full-duplex)라고 알려진 더 야심 찬 접근 방식은 장치들이 정확히 같은 주파수에서 정확히 같은 시간에 송신과 수신을 모두 수행하는 것을 목표로 합니다. 이는 데이터 전송 속도를 두 배로 높이고 혼잡한 무선 스펙트럼을 더 잘 활용할 수 있게 해줄 수 있습니다. 그러나 이러한 야심은 거대한 물리적 장벽인 자기 간섭(self-interference)에 직면해 있습니다. 장치가 강력한 신호를 방송할 때, 그 동일한 신호가 자신의 민감한 수신기로 직접 흘러 들어와, 장치가 듣고자 하는 희미한 메시지를 압도해 버립니다. 배경 소음과는 달리, 이 간섭은 너무 강력하고 너무 가까이 있어서 표준 전자 부품으로는 걸러낼 수 없습니다. 풀 듀플렉스를 실현하기 위해서는 엔지니어들이 이 자기 간섭을 즉각적이고 정밀하게 제거하는 동시에, 고주파 신호를 처리 가능한 낮은 주파수로 변환하는 복잡한 과제를 처리할 방법을 찾아내야 합니다.
난징 우체통신대학교(Nanjing University of Posts and Telecommunications)의 연구팀은 빛을 사용하여 이러한 과제들을 동시에 해결하는 새로운 시스템을 개발했습니다. 이들은 풀 듀플렉스 작동에 필요한 속도와 복잡성에 어려움을 겪는 전자 회로에만 의존하는 대신, 빛의 파동을 이용해 무선 신호를 조작하는 프로세서를 구축했습니다. 그들이 만든 장치는 자기 간섭을 제거하고, 신호 주파수를 변환하며, 수신기를 혼란스럽게 하는 원치 않는 이미지 신호(mirror-image signals)를 차단하는 세 가지 핵심 작업을 동시에 수행할 수 있는 다기능 프로세서입니다. 이 발명품의 핵심은 이중 편광 이중 평행 마하-젠더 변조기(dual-polarization dual-parallel Mach-Zehnder modulator)라고 불리는 특수 광학 부품입니다. 여러분은 이 장치를 레이저 빔을 두 개의 별도 경로로 분리한 다음 정밀한 조정을 거쳐 다시 결합할 수 있는 정교한 빛의 교통 통제관이라고 생각하면 됩니다. 연구진은 무선 신호를 이 장치로 보냄으로써, 빛의 파동을 조작하여 원래의 신호와 완벽하게 반대되는 버전의 간섭 신호를 만들어낼 수 있었습니다. 이 두 버전이 만나면 서로를 상쇄하여 원하는 메시지를 선명하게 남깁니다.
연구진은 이러한 광학적 접근 방식이 매우 효과적임을 입증했습니다. 실험에서 단일 주파수 신호로 시스템을 테스트한 결과, 자기 간섭을 최대 49.1 데시벨까지 억제할 수 있음을 발견했습니다. 이를 설명하자면, 이 정도 수준의 상쇄는 큰 외침을 속삭임 수준으로 줄여서, 수신기가 압도당하지 않고도 관심 있는 희미한 신호를 들을 수 있게 할 만큼 강력합니다. 또한 시스템은 디지털 처리를 위한 필수 단계인 신호의 저주파 변환을 성공적으로 수행하는 동시에, 일반적으로 오류를 일으키는 이미지 신호를 효과적으로 차단했습니다. 단일 주파수 신호로 테스트했을 때, 시스템은 30.4 데시벨의 이미지 제거비를 달성했는데, 이는 원치 않는 거울 이미지 신호들이 효과적으로 제거되었음을 의미합니다.
그러나 이러한 시스템의 진정한 시험대는 신호가 단순한 톤이 아니라 넓은 대역의 데이터인 실제 환경 조건을 처리할 수 있는지 여부에 달려 있습니다. 연구진은 테스트 범위를 150 메가헤르츠 대역폭을 가진 광대역 신호까지 확장했습니다. 이러한 넓은 주파수 범위에서도 시스템은 전체 대역에 걸쳐 18.8 데시벨의 자기 간섭 제거 깊이를 유지했습니다. 이는 매우 중요한 성과인데, 일반적으로 신호 대역폭이 증가함에 따라 상쇄의 정밀도가 떨어지기 때문에 넓은 범위의 주파수에서 상쇄를 유지하는 것은 매우 어렵기 때문입니다. 더욱이, 시스템은 이 광대역 상쇄를 수행하면서 6.4 기가헤르츠 신호에 대해 21 데시벨의 이미지 제거비를 달성했습니다. 이는 이 장치가 신호를 정화하는 능력을 잃지 않으면서 현대 통신 표준의 복잡성을 처리할 수 있음을 증명합니다.
이 연구의 핵심 혁신은 빛이 광섬유를 통해 이동할 때 발생하는 물리적 한계를 다루는 방식에 있습니다. 빛 신호가 장거리를 이동함에 따라, 신호 강도가 약해지고 왜곡되는 분산(dispersion) 현상을 겪는 경우가 많습니다. 연구진은 특정 유형의 광학 신호를 생성하여 이러한 감쇠에 면역을 갖도록 시스템을 설계했습니다. 파이버 브래그 격자(fiber Bragg grating)라고 불리는 특수 필터를 사용하여 빛 스펙트럼의 어떤 부분을 유지하고 어떤 부분을 버릴지 정밀하게 선택함으로써, 이동 거리와 관계없이 신호가 강하고 명확하게 유지되도록 했습니다. 자기 간섭 제거, 주파수 변환, 그리고 이미지 제거를 하나의 컴팩트한 광학 장치에 결합한 이 기술은 큰 진전을 의미합니다. 이는 미래의 무선 네트워크가 간섭을 피하기 위해 속도나 명료함을 희생할 필요 없이 더 단순하고 효율적인 하드웨어로 구축될 수 있음을 시사합니다. 연구진은 현재의 설정이 두 채널의 상쇄를 보여주었지만, 이 설계는 확장 가능하다는 점에 주목했습니다. 이러한 광학 부품을 더 추가함으로써 시스템을 확장하여 여러 채널을 동시에 처리할 수 있으며, 이는 차세대 다중 안테나 무선 시스템의 강력한 후보가 될 수 있음을 보여줍니다.
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