KAIST 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 물리학과 이한석 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 '마이크로콤(Micro-comb)'이라 불리는 광학 칩 기술을 이용해 초저잡음·초고안정 밀리미터파 대역 신호를 생성하는 데 성공했다고 밝혔다.
밀리미터파(30~300 GHz)는 넓은 대역폭을 활용할 수 있어 6G 통신과 정밀 센싱·차세대 레이더 기술의 핵심 주파수 대역으로 주목받고 있다. 그러나 기존 전자식 신호원은 주파수가 높아질수록 잡음이 증가하고 장시간 안정성을 유지하기 어렵다는 한계가 있었다. 마이크로콤은 손톱보다 작은 광학 소자 안에서 매우 정밀한 빛의 주기를 만들어내는 장치로 '빛으로 만든 초정밀 자'에 비유된다.
연구팀은 두 가지 연구 성과를 달성했다. 첫 번째 연구에서는 마이크로콤의 고질적인 문제인 장기적 주파수 흔들림을 해결했다. 정밀한 광학 기준 신호를 마이크로콤과 일치시키는 동기화 기술을 적용한 결과 장시간 동안 10⁻¹⁸ 수준의 초고안정 주파수 성능을 확보했으며 22 GHz 대역에서 100 Hz 오프셋 기준 –125 dBc/Hz 수준의 낮은 위상잡음을 기록했다. 이는 마이크로콤 기반 신호원 가운데 세계 최고 수준의 성능이다.
두 번째 연구에서는 초저잡음 특성을 유지하면서 신호를 밀리미터파 대역으로 확장하는 데 성공했다. 연구팀은 '완전 솔리톤 결정(Perfect Soliton Crystal)'이라는 특수한 물리 상태를 이용해 주파수를 높여도 신호 흔들림을 억제했다. 신호의 반복 속도를 2배·3배로 증가시키면서도 낮은 잡음을 유지한 결과 44 GHz 및 66 GHz 대역에서도 3 펨토초(fs) 수준의 극도로 높은 시간 정밀도를 구현했다.
김정원 KAIST 교수는 "이번 연구는 마이크로콤 기반 신호원의 성능을 세계 최고 수준으로 끌어올리고 이를 고주파 대역까지 확장한 데 의의가 있다"며 "현재 100 GHz 이상은 물론 300 GHz 이상의 서브밀리미터파까지 확장하는 연구를 진행 중"이라고 말했다.
한편, 이번 연구 성과는 광학 분야 권위 있는 국제 학술지인 Laser & Photonics Reviews(3월 19일)와 Optica(4월 8일)에 각각 게재됐으며 한국연구재단과 정보통신기획평가원 및 국가과학기술연구회의 지원을 받아 수행됐다.
헬로티 구서경 기자 |
