6G 통신이나 자율주행 레이더, 우주 관측 기술에는 정확한 신호가 필요하지만 주파수가 높아질수록 오차가 커지는 문제가 있다. 이런 가운데 한국과학기술원(KAIST·총장 이광형) 연구진이 빛으로 신호 흔들림을 크게 줄이는 기술을 개발했다.
KAIST는 김정원 기계공학과 교수팀이 이한석 물리학과 교수팀과 '마이크로콤' 광학 칩 기술을 이용해 초저잡음·초고안정 밀리미터파(30~300㎓) 대역 신호 생성에 성공했다고 11일 밝혔다.
마이크로콤은 손톱보다 작은 밀리미터 크기 광학 소자 안에서 매우 정밀한 빛의 주기를 만들어내는 장치다. 이번 연구는 기존 전자식 고주파 신호원 한계를 광학(빛) 기술로 극복했다는 점에서 의미가 크다. 특히 안정적인 광학 기준 신호를 활용해 마이크로콤의 안정성을 획기적으로 높이고, 고주파 영역에서도 매우 낮은 잡음을 유지할 수 있음을 입증했다.
연구팀은 첫 번째 연구에서 마이크로콤의 고질적인 문제인 '장기적 주파수 흔들림'을 해결했다. 마이크로콤은 소형화와 저전력 구동이 가능해 차세대 신호원으로 주목받지만, 주변 온도 등 환경 변화에 민감하다. 연구팀은 이를 해결하기 위해 매우 정밀한 광학 기준 신호를 마이크로콤과 일치시키는 '동기화(두 신호 주기를 정확히 맞추는 기술)' 기술을 적용했다.
그 결과 장시간 초고안정 주파수 성능을 확보했으며, 낮은 위상잡음(신호의 미세한 흔들림)을 기록했다. 특히 성과로 이룬 10-18 수준 주파수 안정도는 장시간에 걸쳐 주파수 변동이 극히 작은 초고정밀 성능을 의미한다.
두 번째 연구에서는 이런 초저잡음 특성을 유지하면서 신호를 밀리미터파 대역으로 확장했다. 주파수를 높이면 신호 흔들림도 커지지만, 연구팀은 '완전 솔리톤(형태가 무너지지 않고 일정하게 유지되는 특수한 파동) 결정'이라는 특수한 물리 상태를 이용해 극복했다.
연구팀은 보조 레이저를 이용해 광학 칩 내부의 광 펄스를 일정한 간격으로 배열하는 방식으로 안정적인 솔리톤 상태를 구현했다.
연구팀은 신호 반복 속도를 2~3배로 증가시키면서도 매우 낮은 잡음을 유지했다. 그 결과 44㎓ 및 66㎓ 대역에서도 3펨토초(1000조 분의 3초) 수준의 시간 정밀도를 구현했다. 이는 초고속으로 움직이는 신호의 타이밍 오차를 거의 느낄 수 없을 정도로 줄였다는 의미다.
이 기술이 상용화되면 초고속 통신 데이터 전송 신뢰성을 높이고, 자율주행 및 국방 분야 레이더의 거리·속도 측정 정밀도를 크게 향상시킬 수 있다. 또 천문·우주 계측 분야에서는 장거리 신호 간 정밀 동기화를 가능하게 한다
김정원 KAIST 교수는 “현재는 100㎓ 이상 영역은 물론, 300㎓ 이상 서브밀리미터파까지 확장하는 연구를 진행 중”이라고 말했다.
이번 연구에는 KAIST 안창민 박사와 김정원 교수가 주저자로 참여했으며, 이한석 교수가 공동저자로 참여했다. 연구 성과는 Laser & Photonics Reviews(3월 19일), Optica(4월 8일)에 각각 게재됐다.
김영준 기자 kyj85@etnews.com
