■ 초소형 마이크로파 개발, 6G통신. 레이더 센서 향상

■ 초소형 마이크로파 개발, 6G통신. 레이더 센서 향상

 

● 5G. 6G 통신, 레이더, 양자 센서. 블랙홀 탐사 성능 향상

 

국내 연구진이 기존 마이크로파보다 월등한 성능을 갖춘 초소형 마이크로파 발생 기술을 개발했다. 이 기술을 활용하면, 5G. 6G 통신, 전파 망원경을 이용한 천체 관측, 군용 레이더, 휴대용 양자 센서 및 초고속 신호 분석 기술 등의 다양한 분야에서 획기적인 성능 향상이 가능해질 전망이다. 한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 김정원 교수와 물리학과 이한석 교수 공동 연구팀이 광학 칩과 광섬유를 이용해 손바닥만 한 작은 장치로부터 2조분의 1 수준의 주파수 안정도를 가지는 초안정 마이크로파를 발생하는 기술을 개발했다고 2022년 01월 26일 밝혔다.

 

최근 초소형 마이크로 공진기를 이용하여 광 펄스를 생성하는 마이크로콤 기술이 급격하게 발전하고 있다. 마이크로콤은 광 펄스가 나오는 속도를 수십 기가헤르츠(GHz, 1초에 10억 번 진동)에서 테라헤르츠(THz, 1초에 1조 번 진동)까지 높일 수 있어 고주파 마이크로파나 밀리미터파 생성이 쉽고, 시스템의 소형화가 가능하여 다양한 정보통신기술 시스템의 대역폭 향상과 성능 개선에 핵심적인 역할을 할 것으로 기대되고 있다.

 

마이크로콤은 이론적으로 펨토초(1,000조분의 1초) 수준의 펄스 간 시간 오차를 가지지만, 소형 소자의 특성상 주변 환경에 의해 쉽게 변해 장시간 그 성능을 유지하는 데에 어려움이 있었다. 이를 해결하기 위해 마이크로콤을 기계적으로 안정한 장치에 주파수 잠금하여 안정도를 향상할 수 있으나, 지금까지는 이러한 안정화 장치가 매우 복잡하고, 진동에 민감하며, 부피가 커서 초소형 마이크로콤이 가지는 장점을 살릴 수 없고, 실험실 밖 응용에 활용할 수 없었던 문제가 있었다.

 

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 광섬유를 이용해 마이크로콤의 주파수를 안정화하는 기술을 개발했다. 1km 길이의 광섬유는 열 기계적 잡음 한계에 의한 이론적인 길이 안정도가 1,000조분의 1 수준으로 매우 우수하면서도, 부피가 매우 작고, 매우 가벼우면서 가격도 저렴한 장점이 있다. 연구팀은 이러한 광섬유 기반의 안정화 장치를 108mm x 73mm x 54mm 크기로 구현할 수 있었다. 그 결과 생성된 22-기가헤르츠(GHz) 마이크로파의 시간 오차를 상용 고성능 신호 발생기 보다 6배 이상 향상된 10펨토초 수준으로 낮출 수 있었으며, 주파수 안정도는 2조분의 1 수준까지 낮출 수 있었다.

 

이 기술은 매우 우수한 위상 잡음과 주파수 안정도의 마이크로파와 광 펄스를 동시에 생성할 수 있어, 다양한 최첨단 과학기술 분야들에서 활용할 수 있다. 대표적인 예로서 전파 망원경 기반의 초장기선 간섭계(VLBI)의 경우, 보다 높은 주파수와 낮은 잡음을 가지는 마이크로파와 광 펄스를 사용하면, 측정 분해 능력과 관측 정밀도를 획기적으로 향상시킬 수 있어 기존에는 관측할 수 없었던 블랙홀의 사건의 지평선(event horizon)과 같은 새로운 천체 현상들을 탐사할 수 있을 것으로 기대된다. 김정원 교수는 “이번에 개발된 초안정 기술을 통신, 레이더, 데이터 변환기와 전파망원경 등 다양한 분야들에 적용하기 위한 후속 연구들을 진행 중ˮ이라고 밝혔다. 이번 연구 성과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈’ 2022년 01월 19일에 게재됐다.