전대역에서 '천조분의 일' 안정도 가져
국내 연구진이 6세대(6G) 무선통신과 양자 분광 기술, 군용 레이더 기술에 활용할 수 있는 넓은 대역의 테라헤르츠파(THz) 응용기술을 개발하는데 성공했다. 테라헤르츠파는 밀리미터파와 광파 사이(100기가헤르츠(GHz)~3테라헤르츠(THz))에 해당하는 전자기파를 말한다.
한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 김승우, 김영진 교수 공동연구팀은 차세대 6G 이동통신 대역으로 알려진 테라헤르츠 대역에서 세계 최고 수준의 안정도를 가지는 초안정 테라헤르츠파 생성 원천기술을 개발했다고 3일 밝혔다.
차세대 테라헤르츠파 기술을 선점·선도하기 위해서는, 핵심 테라헤르츠 소자들에 대한 개발, 평가 및 선점이 필수적이다. 하지만 테라헤르츠 전송, 변조 및 검출 소자들에 대한 평가를 수행할 수 있는 초안정 표준급 테라헤르츠 신호 생성에 어려움이 있어, 이런 핵심소자들에 대한 접근에 지금까지 제한적이었다.
기존의 테라헤르츠파 생성 방식은 상대적으로 낮은 주파수 안정도를 가지는 마이크로파 원자시계에 기반한 것으로, 최근 개발된 광 시계와 비교해 수천 배 이상 낮은 안정도를 보였다.
연구팀은 이같은 문제를 극복하기 위해 천조분의 일(1/1,000,000,000,000,000)의 안정도를 가지는 매우 정밀한 광주파수 대역의 시간 표준을 안정화하는 펨토초 레이저 광빗에서 2개의 레이저를 추출·합성해 테라헤르츠파를 생성했다.
이 과정에서 연구팀은 다양한 잡음을 면밀히 분석하고, 광빗의 우수한 안정도를 유지하기 위해 잡음 보상·제어 기술을 개발했다. 이후 광빗의 넓은 대역폭 특성을 활용해 테라헤르츠파를 생성했고, 전대역에서 시간 표준 수준의 안정도(천조분의 일)를 가지는 것을 실험적으로 검증했다. 이는 세계 최고 수준의 광 시계 안정도를 테라헤르츠 대역에서도 새로이 실현할 수 있음을 의미한다. 광빗은 시간·주파수 표준으로 활용할 수 있는 광대역(수백만 개의 주파수의 중첩) 레이저, 빛의 스펙트럼이 머리빗과 닮았다 해서 붙여진 이름이다.
이 기술은 광 시간 표준에 기반한 세계 최고 수준의 초안정 테라헤르츠파를 생성할 수 있어, 차세대 6G 통신대역에서 초고속 통신을 실현하고, 6G 통신기기간 주파수 표준으로 이용될 수 있다. 또 생성한 테라헤르츠파는 밀리헤르츠(mHz) 수준의 정확도로 실시간 변조 가능하다는 것을 검증했다.
주저자인 신동철 연구원은 "펨토초 레이저 광빗을 매개로 한 테라헤르츠 생성 기술 개발을 통해 세계 최고 수준의 광 시계 안정도를 테라헤르츠 영역으로 확장할 수 있음을 실험적으로 검증했다ˮ며 "차세대 6G 무선통신 대역에서 가장 우수한 안정도를 선점한 것에 의미가 있고 테라헤르츠 핵심 소자 평가 등에 응용돼 테라헤르츠 대역 표준 확립에 도움될 것이다ˮ라고 말했다.
한국연구재단의 과학기술분야 기초연구사업-개인연구사업- 리더연구(국가과학자)지원을 받아 수행된 이번 연구결과는 국제학술지 '네이처 커뮤니케이션즈'(Nature Communications) 2월 11일자에 게재됐다.
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