기계공학과 김승우 교수, 김영진 교수 공동 연구팀:
Photonic comb-rooted synthesis of ultra-stable terahertz frequencies - ｢Nature Communications｣
지난 3일, 우리 학교 기계공학과 김승우, 김영진 교수 공동연구팀이 차세대 6G 이동통신 대역인 테라헤르츠 대역에서 천조분의 일의 안정성을 가진 펨토초 레이저 광빗으로부터 초안정 테라헤르츠파 생성 원천기술을 개발했다고 밝혔다. 기계공학과 신동철 박사가 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)에 지난달 11일 게재되었다.
6G 이동 통신 대역 사용의 이유
먼저, G는 이동 통신 세대를 구분하는 기준으로 국제전기통신연합(ITU)에서 결정한다. 현재는 5G 기술이 사용되고 있으며, 3.5GHz 및 28GHz 주파수 대역에서 이용되고 있다. 6G의 경우는 차세대 이동 통신 세대로 5G보다 더 높은 대역인 30GHz 이상의 주파수 대역에서 무선 통신을 실현하고자 하는 기술이다. 세대가 거쳐 갈수록 더 높은 주파수 대역을 사용하게 되는 이유는 넓은 대역폭을 확보하기 위해서이다. 데이터를 주고받는 전송 속도는 이론적으로 사용할 수 있는 대역폭과 비례하므로 이를 넓혀야 한다. 따라서, 6G는 5G보다 더 넓은 대역폭을 제공하게 되어 한층 빠른 데이터 전송 속도를 보일 것이다.
펨토초 레이저 광빗으로 테라헤르츠 생성의 안정성을 높이다
6G라는 차세대 이동 통신 기술을 사용하기 위해서는 테라헤르츠 전송, 변조 및 검출 소자들을 정밀하게 평가해야 했다. 특히 이들은 기본적으로 이용하는 주파수에 따라 성능이 달라지기에 주파수 응답을 측정하는 것은 중요한 평가 요소이다. 그래서 테라헤르츠 대역에서 가장 우수한 안정도와 정확도를 가지는 초안정 표준급 테라헤르츠 신호를 이용하여 해당 소자들의 주파수 응답을 더욱 정밀하게 측정할 수 있다.
하지만, 기존의 테라헤르츠파 생성 방식은 마이크로파 원자시계에 기반한 것으로 최근 개발된 광 시계와 비교해서는 수천 배 이상 낮은 안정도를 보였다. 예를 들어, 마이크로파 원자시계 중 세슘원자시계는 9.2 GHz의 복사선을 이용하여 시간을 정의했지만, 광시계는 수백THz 수준의 가시광 대역을 복사선으로 사용하여 이론적으로 수천 배 이상의 높은 안정도를 구현할 수 있는 것이다.
이에 공동 연구팀은 펨토초 레이저 광빗(optical frequency comb)에 주목했다. 펨토초 레이저는 시간 영역에서 주기적인 펨토초 펄스 열을 생성한다. 이를 푸리에 변환하여 주파수 영역에서 봤을 때 광주파수 대역에서 일정한 간격(반복률)을 가지고 주기적으로 나타나는 불연속 스펙트럼이 관찰된다. 이 모양이 빗과 닮았다고 광빗이라고 불린다. 광빗의 장점은 이런 스펙트럼 모양과 관련되어 있다. 광빗의 주파수는 오프셋 주파수와 반복률 주파수로 기술되는데 200THz의 광주파수는 반복률 100MHz의 이백만 배로 표현하는 식이다. 이런 관계를 이용하면 아주 멀리 떨어져 있는 라디오 주파수 대역과 광주파수 대역을 이어줄 수 있게 되며, 하나의 예로 광 시계의 안정도를 100MHz 주파수에서 구현할 수 있게 된다.
연구팀은 이 광빗으로부터 두 개의 레이저를 추출 및 합성해 테라헤르츠파를 생성하고 다양한 잡음들을 분석하여 잡음 보상 및 제어 기술을 개발하였다. 광빗의 특성인 넓은 대역폭을 이용하여 전대역에서 시간 표준 수준의 안정도인 천조분의 일의 안정도를 가지는 것을 검증했다.
본 기술 개발의 의의
본 기술의 의의는 펨토초 레이저 광빗을 이용하여 세계 최고 수준의 광 시계 안정도를 테라헤르츠 영역으로 확장할 수 있다는 것이다. 또한, 연구팀은 차세대 6G 무선통신 대역에서 가장 우수한 안정도를 선점함에 따라, 테라헤르츠 핵심 소자 평가 등에 응용되어 테라헤르츠 대역 표준 확립에 도움이 될 것으로 기대한다고 밝혔다.
신동철 박사는 “실제로 실험을 진행하면서 힘든 순간이 많이 있었다.”고 밝히며, “이런 시기를 잘 극복할 수 있었던 것은 주변 교수님들과 선후배님들의 아낌없는 조언 덕분이었다.”고 말했다. 더불어 학업과 연구에 진척이 더디어질 때, 혹은 진로에 대한 고민으로 집중이 안 될 때는 혼자 해결하려고 하기보다는 바깥으로 시선을 돌려서 다양한 사람들에게 조언을 얻고, 새로운 시선으로 문제를 바라보는 것이 문제 해결에 중요한 것 같다고 덧붙였다.