우리 학교 기계공학과 김승우 교수와 김영진 교수 공동연구팀이 지난 5일 대기를 통한 광주파수 전송 및 펨토초 레이저 안정화 기술을 개발했다고 밝혔다. 이는 대기 중으로 광신호를 전송하여 공간의 제약을 뛰어넘을 수 있는, 차세대 우주-지상 간 광-시간 동기화의 원천 기술이다.  
 

펨토초 레이저와 광빗

 펨토초 레이저는 10-15초의 아주 짧은 펄스 폭을 가지는 레이저이다. 펨토초 레이저는 10-15초의 굉장히 짧은 펄스 폭 덕분에 큰 첨두출력이 가능하며, 짧은 시간의 펄스 폭이 지니는 시간의 극한성을 바탕으로 찰나의 순간에 일어나는 자연현상의 원리를 이해하는 기반이 된다.

 레이저를 분석하는 관점은 시간을 기준으로 하므로 푸리에 변환을 이용하면 레이저를 분석하는 관점을 광주파수의 관점으로 전환할 수 있다. 펨토초 레이저는 서로 이웃한 모드* 사이의 위상이 모두 같게 만드는 모드동기(mode-locked) 상태이므로, 푸리에 변환에 의해 전환된 광주파수의 관점에서는 같은 간격으로 배치된 주파수들이 나열된 형태가 나타나게 된다. 이 형태가 마치 머리를 빗기 위한 빗과 닮은 형태이므로, 이를 광빗(Frequency comb)이라고 부른다. 이러한 광빗은 빛의 정확한 주파수를 측정하기 위한 일종의 자로 사용된다.

마이크로파와 펨토초 레이저

 펨토초 레이저의 광빗이 광주파수 영역에서 보이는 스펙트럼은, 마이크로파 등에 비해 상당히 넓은 영역에서 짧으면서도 일정한 간격을 가진다. 이때, 스펙트럼을 구성하는 광위상들이 정보를 전달하기 위한 통신의 채널로 사용되므로, 펨토초 레이저는 기존 통신 과정에 사용되던 마이크로파 등에 비해 더 많은 채널을 이용할 수 있어 더 높은 정보 전달 효율을 얻을 수 있다. 이를 응용하면 기존에 사용되던 마이크로파의 높은 발산각•낮은 전송 효율로 인한 문제를 보완할 수 있으리라고 전망했다.

대기 중 광빗 전송을 위한 방법

 하지만, 광빗을 만들기 위해 필요한 공진기가 비싼 가격과 더불어 큰 크기를 가지고 있어 우주에 발사될 위성에 싣기에는 부적합하다는 점이 문제였다. 일반적으로 대륙 간 통신의 경우 해저에 매설된 광섬유를 통해 광빗을 효율적으로 공유할 수 있지만, 위성이 존재하는 우주의 경우 광섬유가 존재하지 않으므로 기존의 방식을 사용할 수 없어 공기를 통해 광빗을 전송해야 했다. 또한 광빗을 이용해 시간 표준 및 통신 설비를 구성하더라도, 위성에서 직접 광빗을 생성하지 못해 지상에서 생성한 광빗을 우주로 전송하는 과정에서 대기에 의해 주파수/위상 외란이 발생하면서 정보의 정확성이 떨어지게 된다. 

 연구팀은 이 문제를 역왜곡으로 해결하는 방식을 제시했다. 먼저, 광빗을 대기로 전송하는 과정에서 온도/습도/압력 등의 영향으로 인해 저하되는 광빗의 안정도를 통신에 사용하는 광빗의 스펙트럼 중 하나의 기준 위상(기준 채널)을 선택하여 먼저 신호를 보내고, 반사된 신호를 받아 대기에 의한 광빗의 왜곡 정도를 측정한다. 이렇게 측정된 왜곡의 정보를 바탕으로 다른 채널들에 측정한 왜곡 정도에 반대되는 왜곡을 먼저 가하여 전송하게 되면, 대기에 의한 왜곡을 효과적으로 상쇄할 수 있게 된다. 이는 곧 광빗을 통한 정보의 전송 과정을 광섬유가 없는 환경에서도 수행할 수 있음을 의미한다.

펨토초 레이저의 응용 방향

 연구진은 펨토초 레이저는 우주에 존재하는 위성과의 통신에 주로 활용되어 GPS 및 광대역 주파수로 대표되는 통신 기술에서 위성의 시간 표준을 지상과 거의 오차가 없는수준으로 맞추어 기존보다도 더 정밀한 통신 설비를 갖추는 데 활용될 것이라고 설명했다.

학생들에게 전하는 말

 연구진은 일전 나로호 발사 1,2차 시도 때 실험에 사용할 장치가 같이 폭파되어 3차 시도 때 1년만에 새로이 장비를 만들었던 경험이 있다. 이때도 일단 시도해보며 상황을 극복했던 일화를 덧붙이며, “처음 보기에는 어려워 보이는 부분일지라도 너무 고민하며 어렵게만 보지 말고 일단 도전해보는 사람이 되기를 바란다.”고 전했다.

모드*
레이저 모드는 공진기 내부의 전자기파가 지니는 진동 상태로, 공진기 내부에 갇힌 빛은 서로 간의 상쇄 효과로 인해 특정 주파수의 전자기파를 제외하고 사라지는 원리를 기반으로 한다.