[충청뉴스 이성현 기자] 국내 연구진이 6G 통신, 자율주행 레이더, 우주 관측 등 첨단 기술 분야에서 주파수가 높아질수록 신호가 흔들려 오차가 커지던 고질적인 문제를 해결했다.
한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 김정원 교수팀과 물리학과 이한석 교수팀이 초소형 광학 칩인 ‘마이크로콤(Micro-comb)’을 이용해 초저잡음·초고안정 밀리미터파(30~300 GHz) 대역 신호를 생성했다고 11일 밝혔다.
일반적으로 신호의 주파수를 높이면 신호가 불안정해지고 잡음이 커진다. 기존 기술은 작은 공진기를 써서 주파수를 높이면 잡음이 커지고 반대로 큰 공진기를 써서 잡음을 줄이면 주파수가 낮아지는 한계가 있었다.
연구팀은 이번 연구를 통해 잡음이 매우 낮은 큰 공진기 조건에서 만든 신호의 성능을 유지하면서, 이를 높은 주파수 영역으로 확장하는 기술을 구현했다.
마이크로콤 내에서 빛의 파동을 규칙적으로 정렬시키는 ‘완전 솔리톤 결정’ 상태를 활용해 주파수를 높여도 흔들림을 거의 없애는 데 성공했다.
연구팀은 마이크로콤의 고질적 문제였던 환경 변화에 따른 흔들림을 ‘동기화’ 기술로 해결했다. 그 결과 장시간 동안 10-18 수준의 초고안정 성능을 확보했다. 이는 마이크로콤 기반 신호원 중 세계 최고 수준이다.
특히 44 GHz 및 66 GHz 대역에서 3펨토초 수준의 극도로 높은 시간 정밀도를 구현했다.
이는 초고속 신호가 오가는 상황에서도 타이밍 오차를 거의 느낄 수 없을 정도로 줄인 것으로 6G 통신의 데이터 신뢰성과 자율주행 레이더의 측정 정밀도를 비약적으로 향상시킬 수 있는 수치라는 설명이다.
연구 과정에서 가장 큰 어려움은 기존 측정 방식으로는 검증이 불가능할 정도로 낮은 ‘초저잡음’을 측정하는 것이었다.
이에 연구팀은 "이를 해결하기 위해 정밀 평가를 위한 측정 기술을 자체적으로 개발해 적용했으며 복잡한 추가 과정 없이 광학 기준 신호를 마이크로콤에 직접 적용하는 신뢰성 있는 구현 방식을 입증했다"고 설명했다.
이 기술은 초소형 광학 칩을 기반으로 하기에 향후 통신 장비나 레이더 시스템에 직접 통합이 가능하다. 상용화되면 자율주행 및 국방용 레이더의 성능 향상은 물론 블랙홀 관측과 같은 초고해상도 우주 관측 분야에도 큰 기여를 할 것으로 기대된다.
김정원 교수는 “현재 100 GHz 이상의 영역은 물론 300 GHz 이상의 서브밀리미터파까지 확장하는 연구를 진행 중”이라며 “향후 산업체와의 협력을 통해 고성능 저잡음 신호원 모듈로서 시스템 수준의 통합과 실용화를 추진할 계획”이라고 말했다.
