초고안정 고주파 신호 생성 광학칩…6G 통신·블랙홀 관측도 기대

KAIST

왼쪽부터 김정원 KAIST 기계공학과 교수, 안창민 연구원. KAIST 제공

국내 공동연구팀이 신호 주파수가 높아질수록 오차가 커지는 문제를 해결한 광학 소자를 개발했다. 연구성과는 6세대이동통신(6G)부터 자율주행 레이더, 블랙홀 등 우주 관측 기술까지 폭넓게 활용될 것으로 기대된다.

KAIST는 김정원 기계공학과 교수팀이 이한석 물리학과 교수팀과 공동연구를 통해 '마이크로콤'이라는 광학 칩을 개발하고 초저잡음·초고안정 밀리미터파 신호를 생성하는 데 성공했다고 11일 밝혔다. 연구결과는 3월 19일(현지시간) 국제학술지 '레이저 및 포토닉스 리뷰'와 4월 8일 국제학술지 '옵티카'에 공개됐다.

밀리미터파는 주파수 30~300기가헤르츠(GHz, 1GHz는 1초에 10억번 진동)의 고주파로 신호가 한번에 전달할 수 있는 데이터 양인 대역폭을 넓게 활용할 수 있어 차세대 통신 기술의 핵심 주파수 대역으로 꼽힌다. 밀리미터파 신호를 만드는 기존 전자식 신호원은 고주파 대역에서 잡음이 증가하고 장시간 안정성을 유지하기 어렵다는 문제가 있다.

연구팀은 정밀한 빛을 생성하는 손톱보다 작은 광학 소자인 마이크로콤에 주목했다. 상대적으로 안정적인 빛 신호를 활용해 주파수 안정성을 높이고 잡음을 줄이는 전략이다. 소형화와 저전력 구동에도 유리하다.

KAIST 연구팀이 광학 칩에서 생성한 고주파 신호의 잡음을 억제하고 안정성을 확보하는 기술을 개발했다. 상용화 시 6세대이동통신(6G)부터 자율주행 레이더, 블랙홀 등 우주 관측 기술까지 폭넓게 활용될 것으로 기대된다. KAIST 제공

연구팀은 첫 번째 연구에서 고주파의 주파수 흔들림 문제를 먼저 해결했다. 광시계와 광섬유 레이저 등의 기준 신호를 마이크로콤과 동기화해 초고안정 주파수를 생성하는 원리다. 실험 결과 마이크로콤 기반 신호원 중 22GHz 대역에서 세계 최고 수준의 성능을 달성했다.

두 번째 연구에서는 초저잡음 특성을 유지하면서 신호를 밀리미터파 대역까지 확장했다. 완전 솔리톤 결정이라는 특수한 물리적 상태가 활용됐다.

솔리톤은 형태가 무너지지 않고 일정하게 유지되는 특수 파동이다. 연구팀은 보조 레이저를 활용해 광학 칩 내부의 광 펄스를 일정한 간격으로 배열해 솔리톤 상태를 구현했다. 펄스는 짧고 강한 빛 신호를 말한다.

신호 속도를 2배인 44GHz, 3배인 66GHz로 증가시켜도 잡음이 거의 나타나지 않았고 시간 오차는 3펨토초(fs, 1fs는 1000조분의 1초)에 불과했다. 수많은 신호가 초당 수십억 번 오가는 상황에도 서로 충돌하거나 어긋나지 않도록 정확하게 타이밍을 맞출 수 있다는 뜻이다.

연구 결과는 초소형 광학 칩 기반 신호원이 실제 고성능 시스템으로 확장될 기술적 기반을 마련했다는 평가를 받는다. 상용화 시 6G 등 초고속 통신 데이터 전송 신뢰성을 높이고 자율주행 및 레이더 분야, 블랙홀 관측 등 우주 관측 분야에도 기여할 수 있다.

김 교수는 "마이크로콤 기반 신호원 성능을 세계 최고 수준으로 끌어올리고 고주파 대역까지 확장했다"고 밝혔다.

연구팀은 6G·7G 통신, 초고해상도 이미징, 정밀 우주 관측 등에 활용될 차세대 핵심 주파수 대역인 300GHz 이상 서브밀리미터파까지 까지 확장하는 연구를 진행 중이다.

<참고 자료>
- doi.org/10.1002/lpor.71135
- doi.org/10.1364/OPTICA.581054

[이병구 기자 2bottle9@donga.com]