물리학과 이한석 교수와 기계공학과 김정원 교수 공동연구팀이 실리카 마이크로공진기를 이용해 낮은 잡음으로 펄스 신호를 주기적으로 발생할 수 있는 신기술을 개발하고, 타이밍 측정 기술을 활용해 마이크로콤 기술의 성능을 높였다. 이번 연구 결과는 지난 8월 28일 국제학술지 <옵티카(Optica)>에 게재됐다.

높은 반복률을 지닌 마이크로콤 기술
 지금까지 펨토초 수준의 펄스 폭을 가지는 광 펄스를 생성하는 모드 잠금 레이저(Mode-Locked Laser)는 광 주파수 빛 분광학(Optical Frequency Comb Spectroscopy) 및 펄스 확장 증폭 기술(Chirped Pulse Amplification)과 같은 기초 과학 분야에서 매우 중요한 광원으로 활용됐다. 최근에는 펨토초 수준의 펄스를 레이저 장비가 아닌 칩-스케일의 마이크로공진기 소자에서 생성하는 마이크로콤(Micro-Comb) 기술이 활발하게 연구되고 있다. 특히 기존의 모드 잠금 레이저가 100MHz 정도의 반복률*을 가진 것에 반해 마이크로콤은 10GHz 이상의 높은 반복률을 가진다. 때문에 다양한 ICT 시스템의 개발 및 제작 등에 폭넓게 적용될 것으로 기대되고 있다. 하지만 이러한 장점에도 측정의 한계로 인해 마이크로콤 기술은 이론적으로 예측한 1펨토초 수준의 매우 낮은 시간 오차의 성능을 정확하게 규명할 수 없었다. 또한, 잡음 성능을 최적화할 수 없다는 한계점을 지니고 있었다.

타이밍 측정 기술로 공진기 최적화해
 연구팀은 문제를 해결하기 위해 매우 높은 Q 인자(Quality Factor)를 갖는 온-칩 마이크로공진기 제작기술과 1경 분의 1초 수준의 분해능을 지닌 펄스 간 타이밍 측정 기술을 이용했다. 여기서 Q 인자는 진동자나 공진기(Resonator)가 얼마나 오랫동안 에너지를 담아둘 수 있는지를 나타낸다. 또한, 주파수 변환 단계에 사용하는 중심주파수에 따라 공진기의 대역폭을 특성 짓는 값이다. 높은 Q 인자 값을 가진 공진기는 더 오래 진동할 수 있으며 외부로부터 주입되는 에너지를 내부에 더욱 고밀도로 집중시킬 수 있다. 연구팀은 이러한 특성을 활용하기 위해 1억 이상의 Q 인자 값을 지닌 실리카 온칩 마이크로공진기를 이용했다. 실리카 온칩 마이크로공진기는 3mm 지름의 칩으로부터 22GHz의 높은 반복률과 2.6펨토초의 매우 낮은 펄스 간 시간 오차**(Timing Jitter)를 동시에 가지는 광 펄스열을 발생시킬 수 있다. 이어 연구팀은 100배 이상 정밀한 타이밍 측정 기술을 통해 공진기에서 발생한 펄스 간 시간 오차를 정확하게 측정했고, 그 결과 마이크로공진기의 최적 동작 조건을 찾아냄으로써 마이크로콤 기술의 잡음 성능을 획기적으로 높일 수 있었다. 

초고속 광대역 변환기에 적용 가능
 연구팀은 칩 스케일 초 저잡음 펄스 신호 발생 기술을 개발하고, 정밀 타이밍 측정 기술로 마이크로콤의 펄스 발생 효율과 잡음 성능이 더욱 개선됨을 증명했다. 한편 아날로그-디지털 변환기의 경우 샘플링 클럭의 지터 성능에 의해 제한되는데 이번 기술의 타이밍 성능은 22GHz의 샘플링 속도에서 12비트의 유효 비트 수(Effective Number Of Bits, ENOB)를 달성할 수 있기 때문에 기존 장비의 성능을 뛰어넘는 초고속 광대역 아날로그-디지털 변환기의 샘플링 클럭이나 5G·6G 통신용 초 저잡음 마이크로파 신호원으로 활용될 것으로 기대된다. 

 이한석 교수는 “이번에 개발한 기술을 활용할 경우 다양한 온-칩 광신호처리 시스템의 구현이 가능할 것”이라고 연구 의의를 전했다. 이어 김 교수는 “개발된 기술을 매우 낮은 위상잡음의 K-밴드 마이크로파 신호원과 초고속 아날로그-디지털 변환기용 샘플링 클럭으로 활용하는 연구를 진행할 것”이라고 추후 연구 계획을 밝혔다.