6G통신·우주탐사 청신호…빛으로 흔들림 없는 초고주파 생성 성공

(대전=뉴스1) 김종서 기자 = 한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 물리학과 이한석 교수 연구팀과의 공동 연구를 통해 '마이크로콤'이라 불리는 광학 칩 기술을 이용해 초저잡음·초고안정 밀리미터파(30~300 GHz) 대역 신호를 생성하는 데 성공했다고 11일 밝혔다.

밀리미터파는 넓은 대역폭을 활용할 수 있어 6G 통신과 정밀 센싱, 차세대 레이더 기술의 핵심 주파수 대역으로 주목받고 있다. 그러나 기존 전자식 신호원은 주파수가 높아질수록 잡음이 증가하고 장시간 안정성을 유지하기 어렵다는 한계가 있었다.

마이크로콤은 ㎜ 크기의 광학 소자 안에서 매우 정밀한 빛의 주기를 만들어내는 장치다. '빛으로 만든 초정밀 자'에 비유된다. 소형화 저전력으로 구동하면서 정밀한 주파수 기준을 제공할 수 있으나, 낮은 반복률 조건에서 우수한 저잡음 특성을 얻을 수 있는 반면 고주파 영역으로 확장하는 과정에서 성능이 열화되는 문제가 있다.

연구팀은 첫 번째 연구에서 매우 정밀한 광학 기준 신호를 마이크로콤과 일치시키는 '동기화' 기술을 적용해 고질적인 문제인 '장기적 주파수 흔들림'을 해결했다.

장시간 10-18 수준의 초고안정 주파수 성능을 확보했으며, 22기가헤르츠(GHz) 대역에서 100헤르츠(Hz) 오프셋 기준 –125 dBc/Hz 수준의 낮은 위상잡음을 기록했다.

이는 마이크로콤 기반 신호원 가운데 낮은 오프셋 주파수 영역에서 세계 최고 수준의 성능이다. 높은 주파수 안정성과 정밀도가 요구되는 6G 통신, 정밀 레이더, 차세대 항공·우주 전자시스템 등에 활용 가능하다.

두 번째 연구에서는 초저잡음 특성을 유지하면서 신호를 밀리미터파 대역으로 확장하는 데 성공했다. 일반적으로 주파수를 높이면 신호의 흔들림도 커지지만, 연구팀은 '완전 솔리톤 결정'이라는 특수한 물리 상태를 이용해 이를 극복했다.

일반적으로 신호의 주파수를 높일수록 신호가 불안정해지고 잡음도 커진다. 하지만 연구팀은 빛의 펄스 형태 파동을 매우 규칙적으로 정렬시키는 완전 솔리톤 결정 상태를 활용해 더 빠른 고주파 신호에서도 흔들림을 거의 없애는 데 성공했다.

이 기술이 상용화되면 초고속 통신의 데이터 전송 신뢰성을 높이고, 자율주행 및 국방 분야 레이더의 거리·속도 측정 정밀도를 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대된다.

김 교수는 "이번 연구는 마이크로콤 기반 신호원의 성능을 세계 최고 수준으로 끌어올리고 이를 고주파 대역까지 확장한 데 의의가 있다"며 “현재는 100GHz 이상의 영역은 물론, 300GHz 이상의 서브밀리미터파까지 확장하는 연구를 진행 중"이라고 말했다.

KAIST 안창민 박사와 김정원 교수가 주저자로, 이한석 교수가 공동저자로 참여한 연구 성과는 광학 분야 국제 학술지 레이저 앤 포토닉스 리뷰스(Laser & Photonics Reviews)와 옵티카(Optica)에 각각 게재됐다.

연구는 한국연구재단(NRF), 정보통신기획평가원(IITP) 및 국가과학기술연구회(NST)의 지원을 받아 수행됐다.

jongseo12@news1.kr