변조 불안정성 (Modulation Instability)
쉽게 풀면
세기가 일정한 연속파 빛을 비선형 광섬유에 넣으면 처음에는 잔잔해 보이지만, 아주 작은 잡음 성분이 자기위상변조와 분산의 상호작용 속에서 점점 커져 마침내 규칙적인 펄스열로 갈라집니다. 잔잔한 수면 위 미세한 물결이 바람과 만나 점점 자라 규칙적인 파도가 되는 것과 비슷합니다. 이때 스펙트럼을 보면 원래 파장 양옆으로 대칭적인 봉우리가 솟아나는데, 이것이 변조 불안정성이 일어났다는 대표적인 신호입니다.
왜 중요한가
초연속체 발생에서 스펙트럼이 넓어지는 초기 과정을 지배하는 기구입니다. 또 광 솔리톤 열의 형성이나 광섬유 파라메트릭 증폭의 기반이 되는 한편, 통신 링크에서는 잡음을 함께 증폭시켜 성능을 떨어뜨리는 원인이 되기도 합니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
이득이 가장 커지는 주파수 간격은 펌프 세기와 분산값으로 결정됩니다. 펌프 조건을 바꾸며 봉우리 위치를 재면 이론값과 실험을 직접 비교할 수 있습니다.
대칭 측대역은 사파혼합으로 두 개의 새로운 주파수가 동시에 생겨난 결과입니다. 시간 영역에서는 이 성분들이 간섭하여 주기적인 펄스열로 나타납니다.
균일한 광섬유에서 변조 불안정성은 보통 이상 분산 조건에서만 이득을 가집니다. 정상 분산에서는 이 경로가 막혀 스펙트럼이 넓어지는 양상 자체가 달라집니다.
조금 더 깊게 보면
균일 광섬유에서 변조 불안정성의 이득은 비선형 위상 회전과 분산에 의한 위상 부정합이 서로 상쇄될 때 최대가 되며, 이득이 가장 큰 주파수 간격은 펌프 전력의 제곱근에 비례합니다. 잡음에서 저절로 자라나는 자발적 경우와, 약한 신호를 미리 넣어 성장 시점을 제어하는 유도된 경우로 나뉘고 후자는 광섬유 파라메트릭 증폭기로 활용됩니다. 정상 분산 영역이라도 분산이 주기적으로 변하거나 복굴절과 다중모드가 개입하면 새로운 위상 정합 조건이 성립해 이득이 나타날 수 있습니다.
주의할 점
변조 불안정성은 자기위상변조와 자주 혼동됩니다. 자기위상변조가 위상만 바꾸는 결정론적 과정인 데 비해, 변조 불안정성은 미세한 잡음이 증폭되어 파형 자체가 쪼개지는 불안정 과정입니다. 이상 분산이 반드시 필요하다는 설명도 균일 광섬유에 한정된 이야기입니다.