초소형 광공진기 칩 활용 모식도.(AI 생성 이미지).[KAIST 제공]

[헤럴드경제=구본혁 기자] 국내 연구진이 초소형 광학 칩으로 초고주파 정밀 신호원을 만들 수 있는 기술적 기반을 확보했다. 이를 통해 향후 6G 통신, 정밀 레이더, 블랙홀 관측 등에 활용이 가능할 전망이다.

KAIST는 기계공학과 김정원 교수와 물리학과 이한석 교수 연구팀이 ‘마이크로콤(Micro-comb)’이라 불리는 광학 칩 기술을 활용해 초저잡음·초고안정 밀리미터파 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. 하지만 기존 전자식 신호원은 주파수가 높아질수록 잡음(noise)이 증가하고 장시간 안정성을 유지하기 어렵다는 한계가 있었다.

마이크로콤은 밀리미터(mm) 크기, 즉 손톱보다 작은 광학 소자 안에서 매우 정밀한 빛의 주기를 만들어내는 장치로, ‘빛으로 만든 초정밀 자’에 비유된다. 이번 연구는 안정적인 광학 기준 신호를 활용해 마이크로콤의 안정성을 획기적으로 높이고, 고주파 영역에서도 매우 낮은 잡음을 유지할 수 있음을 입증했다.

연구팀은 첫 번째 연구에서 마이크로콤의 고질적인 문제인 ‘장기적 주파수 흔들림’을 해결했다. 연구팀은 매우 정밀한 광학 기준 신호를 마이크로콤과 일치시키는 ‘동기화’ 기술을 적용했다.

그 결과 장시간 동안 10-18 수준의 초고안정 주파수 성능을 확보했으며, 22 GHz 대역에서 100 Hz 오프셋(offset·기준 주파수에서 떨어진 거리) 기준 125 dBc/Hz 수준의 낮은 위상잡음(phase noise·신호의 미세한 흔들림)을 기록했다.

두 번째 연구에서는 이러한 초저잡음 특성을 유지하면서 신호를 밀리미터파 대역으로 확장하는 데 성공했다.

연구팀은 신호의 반복 속도를 2배, 3배로 증가시키면서도 매우 낮은 잡음을 유지하는 데 성공했다. 그 결과 44 GHz 및 66 GHz 대역에서도 3 펨토초(1000조 분의 3초) 수준의 극도로 높은 시간 정밀도를 구현했다.

김정원(왼쪽) KAIST 교수와 안창민 박사.[KAIST 제공]

이는 초고속으로 움직이는 신호의 타이밍 오차를 거의 느낄 수 없을 정도로 줄였다는 의미다.

이 기술이 상용화되면 초고속 통신의 데이터 전송 신뢰성을 높이고, 자율주행 및 국방 분야 레이더의 거리·속도 측정 정밀도를 크게 향상시킬 수 있다. 또한 천문·우주 계측 분야에서는 장거리 신호 간 정밀 동기화를 가능하게 해 블랙홀 관측과 같은 초고해상도 우주 관측 기술 발전에도 기여할 것으로 기대된다.

김정원 KAIST 교수는 “이번 연구는 마이크로콤 기반 신호원의 성능을 세계 최고 수준으로 끌어올리고 이를 고주파 대역까지 확장한 데 의의가 있다”며 “6G·7G 통신, 초고해상도 이미징, 정밀 우주 관측 등에 활용될 차세대 핵심 주파수 영역)까지 확장하는 연구를 진행 중”이라고 말했다.

이번 연구결과는 광학 분야 국제학술지 ‘레이저 & 포토닉스 리뷰’와 ‘옵티카’에 각각 게재됐다.