KAIST, 초안정 마이크로파 발생 기술 개발
KAIST, 초안정 마이크로파 발생 기술 개발
  • 이성현 기자
  • 승인 2022.01.26 13:00
  • 댓글 0
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고성능 신호 발생 장비와 다른 장비들과의 위상잡음 성능 비교 그래프
고성능 신호 발생 장비와 다른 장비들과의 위상잡음 성능 비교 그래프

[충청뉴스 이성현 기자] 한국과학기술원(KAIST)은 기계공학과 김정원, 물리학과 이한석 교수 공동연구팀이 광학칩과 광섬유를 이용해 손바닥만 한 작은 장치로부터 2조분의 1 수준의 주파수 안정도를 가진 마이크로파 발생 기술을 개발했다고 26일 밝혔다.

이번 기술을 활용하면 기존보다 우수한 위상잡음과 주파수 안정도의 마이크로파를 핸드폰 크기 면적의 작은 장치로부터 생성할 수 있어 5G·6G 통신, 전파망원경을 이용한 천체 관측, 군용 레이더 등 다양한 분야에서 성능향상이 가능할 것으로 전망된다.

최근 초소형 마이크로공진기(microresonator)를 이용해 광 펄스를 생성하는 마이크로콤(micro-comb) 기술이 급격하게 발전하고 있다.

마이크로콤은 이론적으로 펨토초(1000조분의 1초) 수준의 펄스 간 시간 오차를 갖지만 소형 소자의 특성상 주변 환경에 의해 쉽게 변해 장시간 그 성능을 유지하는 데에 어려움이 있었다.

이를 해결하기 위해 마이크로콤을 기계적으로 안정한 장치에 주파수 잠금해 안정도를 향상할 수 있으나 지금까지는 이러한 안정화 장치가 매우 복잡하고 진동에 민감하며 부피가 커서 초소형 마이크로콤이 가지는 장점을 살릴 수 없고 실험실 밖 응용에 활용할 수 없었던 문제가 있었다.

연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 광섬유를 이용해 마이크로콤의 주파수를 안정화하는 기술을 개발했다. 1km 길이의 광섬유는 열 기계적(thermomechanical) 잡음 한계에 의한 이론적인 길이 안정도가 1000조분의 1 수준으로 매우 우수하면서도 부피가 작고 매우 가벼우면서 가격도 저렴한 장점이 있다. 연구팀은 이러한 광섬유 기반의 안정화 장치를 ‘108 mm×73 mm×54 mm’ 크기로 구현할 수 있었다.

그 결과 생성된 22-기가헤르츠(GHz) 마이크로파의 시간 오차를 상용 고성능 신호 발생기보다 6배 이상 향상된 10펨토초 수준으로 낮출 수 있었으며, 주파수 안정도는 2조분의 1(5×10-13) 수준까지 낮출 수 있었다.

김정원 교수는 "이번에 개발된 초안정 기술을 통신, 레이더, 데이터 변환기와 전파망원경 등 다양한 분야들에 적용하기 위한 후속 연구들을 진행 중ˮ라고 말했다.

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