KAIST, 빛으로 오차 없는 초고주파 신호 개발…초저잡음 구현

[대전=뉴시스] 김양수 기자 = 국내 연구진이 빛을 활용해 흔들림없는 초고주파 신호제작기술을 개발해 주파수가 높아질수록 커지는 신호 오차 문제를 해결했다.

한국과학기술원(카이스트·KAIST)은 기계공학과 김정원 교수팀과 물리학과 이한석 교수팀이 공동 연구를 통해 광학 칩 기술인 '마이크로콤(Micro-comb)'을 이용, 초저잡음·초고안정 밀리미터파(30~300㎓) 대역 신호를 생성하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.

밀리미터파는 넓은 대역폭을 활용할 수 있어 6G 통신과 정밀센싱, 차세대 레이더 기술의 핵심 주파수 대역으로 주목받고 있지만 기존 전자식 신호원은 주파수가 높아질수록 잡음(noise·신호 흔들림)이 증가하고 장시간 안정성을 유지하기 어렵다는 한계가 있다.

마이크로콤은 손톱보다 작은 광학소자 안에서 매우 정밀한 빛 주기를 만들어내는 장치로 소형화와 저전력 구동이 가능해 차세대 신호원으로 주목받고 있으나 주변 온도 등 환경변화에 민감하다는 단점이 있다.

이번 연구서 공동연구팀은 매우 정밀한 광학 기준 신호를 마이크로콤과 일치시키는 '동기화(synchronization)' 기술을 활용해 마이크로콤의 고질적인 문제인 장기적 주파수 흔들림을 해결했다. 

검증 시험에서 이 기술은 초고안정 주파수 성능과 낮은 위상잡음(phase noise·신호의 미세한 흔들림)을 기록했다. 이를 통해 연구팀은 마이크로콤 기반 신호원 중 낮은 오프셋 주파수 영역에서 세계 최고 수준의 성능으로 오랜 시간 동안 거의 흔들리지 않는 매우 안정적인 고주파 신호임을 입증했다.

높은 주파수 안정성과 정밀도가 요구되는 6G 통신, 정밀 레이더, 차세대 항공·우주 전자시스템 등에 활용될 수 있는 수준이다.

또 공동 연구팀은 초저잡음 특성을 유지하면서 신호를 밀리미터파 대역으로 확장하는 데도 성공했다. 일반적으로 주파수를 높이면 신호의 흔들림도 커지지만 연구팀은 형태가 무너지지 않고 일정하게 유지되는 특수한 파동인 '완전 솔리톤' 결정(Perfect Soliton Crystal)이란 특수한 물리상태를 이용해 이를 극복했다.

이어 연구팀은 44㎓ 및 66㎓ 대역에서 3펨토초(1000조 분의 3초) 수준의 극도로 높은 시간 정밀도를 구현했다. 이는 초고속으로 움직이는 신호의 타이밍 오차를 거의 느낄 수 없을 정도로 줄였다는 의미다.
 
초고속 통신의 데이터 전송 신뢰성 향상, 자율주행 및 국방 분야 레이더의 거리·속도 측정 정밀도 향상, 천문·우주계측 분야의 장거리 신호 간 정밀 동기화를 가능케 하는 이번 연구성과는 국제 학술지 '레이저 포노닉스 리뷰(Laser & Photonics Reviews)'와 '옵티카(Optica)'에 잇따라 게재됐다.

김정원 교수는 "이번 연구서 마이크로콤 기반 신호원의 성능을 세계 최고 수준으로 끌어올리고 이를 고주파 대역까지 확장했다"며 "100㎓ 이상은 물론 300㎓ 이상의 서브밀리미터파까지 확장하는 연구를 진행해 차세대 핵심주파수 기술을 선점하겠다"고 말했다.


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