기계공학과 김정원 교수 연구팀이 광섬유 광학 기술을 이용해 초저잡음 마이크로파 주파수 합성기를 개발했다. 연구팀이 개발한 주파수 합성기는 기존의 고성능 레이더 신호원보다 성능이 뛰어나며 실제 레이더에도 바로 적용 가능해 주목받고 있다. 이번 연구는 지난 1월 <포토닉스 리서치(Photonics Research)>에 게재됐다.

레이더 개선엔 위상 잡음 감소 필요해
  마이크로파에 속하는 주파수 영역 중 하나인 X-밴드는 8GHz에서 12GHz에 이르는 주파수 대역으로, 사드(THAAD) 레이더, 고성능 레이더, 우주 통신 등에 사용된다. 레이더는 주파수 합성기에서 생성된 신호를 방출해, 기존 신호와 비행체 등의 물체에 반사된 신호를 서로 비교함으로써 물체의 위치와 속도를 분석한다. 이때 사용하는 신호원의 위상 잡음*은 물체에서 반사된 신호를 감지할 때의 검출 민감도에 영향을 준다. 따라서, 고성능 레이더 개발을 위해서는 마이크로파 주파수 합성기의 위상 잡음을 줄이는 과정이 필수적이다.

사용 조건 까다로웠던 주파수 합성기
  하지만 현재까지의 고성능 주파수 합성기는 성능이 뛰어날수록 극저온의 동작 환경이 필요하거나 진동에 민감해 진공 상태와 같은 실험실 환경에서만 활용될 수 있었다. 이러한 한계를 극복하기 위해 기존보다 성능도 뛰어나며, 실험실 밖 환경에서도 활용할 수 있는 장치 개발을 목적으로 연구가 진행되었다.

통신용으로 상용화된 광섬유 도입해
  연구팀은 광통신 분야에서 널리 이용되고 있는 광섬유 레이저**와 광섬유 광학 기술을 기반으로 펄스 형태의 빛을 이용하는 주파수 합성기를 개발하였다. 주파수 합성기는 이 빛 펄스들을 전기 신호로 변환하는 방식으로 작동하며, 이때 펄스 간 시간 간격에 의해 정해지는 반복률의 정수배에 해당하는 다양한 주파수의 전기 신호를 생성할 수 있다.

  광섬유는 신호 전달 과정에서 신호의 손실이 거의 없으며, 이를 기반으로 하는 광학 부품들은 통신용으로 이미 상용화되어있어 신뢰성과 가격 경쟁력 측면에서도 뛰어나다. 연구팀이 개발한 장치는 초당 1펨토(1천조분의 1)초의 오차를 가지며, 이는 환산하면 3천만 년에 1초의 오차 규모이다. 이는 기존 최고 성능의 오븐제어 수정발진기(OCXO, Oven-Controlled Crystal Oscillicator)를 사용한 주파수 합성기보다 뛰어난 성능이다. 또한, 레이더 시스템에서 중요한 빠른 주파수 변환과 다양한 주파수 변조도 가능하다.

저잡음 광신호 생성 가능한 이번 기술
  이번에 개발한 주파수 합성기는 낮은 잡음의 광 펄스들을 이용하여 물체에서 반사된 신호의 샘플링과 아날로그-디지털 변환을 동시에 진행할 수 있어, 다양한 신호 처리 기능을 동시에 수행할 수 있다는 장점도 있다. 따라서 기존의 주파수 합성기와는 달리, 전기 신호와 매우 낮은 잡음의 광신호를 함께 생성할 수 있어 이전에 없던 새로운 신호 분석 기능을 제공할 수 있다.

  김 교수는 “이번 연구를 기반 기술로써 사용하는 장치들의 상용화에 관심이 있다”며, “이번에 개발한 주파수 합성기를 이용해 초정밀 계측이나 센서 시스템에 활용할 후속 연구를 진행하고 있다”고 전했다.

위상 잡음*
주기적인 신호의 위상이 이상적인 값으로부터 벗어난 정도를 나타내는 수치.
광섬유 레이저**
광섬유를 매질과 빛의 도파로(Waveguide)로 사용하는 레이저.