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KAIST는 물리학과 이한석 교수와 기계공학과 김정원 교수 공동연구팀이 실리카 마이크로공진기를 이용해 매우 낮은 잡음으로 펄스 신호를 주기적으로 발생할 수 있는 신기술을 개발했다고 17일 밝혔음.

마이크로공진기(microresonator)는 특정 공진 주파수에서 공진을 일으킬 수 있도록 한 마이크로미터~밀리미터 크기의 소자임. 굴절률 차이에 의한 내부전반사로 공진기 내부에서 광 파워가 공진 형태로 집약되는 특성을 보임.

이 기술을 이용하면 3mm 지름의 칩으로부터 22GHz의 높은 반복률과 2.6 펨토초(385조 분의 1초)의 매우 낮은 펄스간 시간 오차를 동시에 가지는 광 펄스열을 발생시킬 수 있음.

이에 따라 초고속 광대역 아날로그-디지털 변환기의 샘플링 클럭이나 5G·6G 통신용 초 저잡음 마이크로파 신호원으로 활용이 기대됨.

최근에는 펨토초 펄스를 레이저 장비가 아닌 칩-스케일의 마이크로공진기 소자에서 생성하는 마이크로콤 기술이 활발하게 연구되고 있음.

특히, 기존의 모드 잠금 레이저가 100MHz 정도의 반복률을 가진 것에 반해 마이크로콤은 기존보다 100배 이상인 수십GHz 이상의 높은 반복률을 가지기 때문에 다양한 ICT 시스템의 개발 및 제작 등에 폭넓게 적용될 것으로 기대되고 있음.

마이크로콤은 이론적으로는 1펨토초 수준의 매우 낮은 시간 오차를 가질 수 있을 것으로 예측됐지만, 기존에는 측정의 한계 때문에 이러한 성능을 정확하게 규명할 수 없었고 잡음 성능을 최적화할 수도 없었음.

공동연구팀의 이번 연구는 이한석 교수팀이 보유한 1억 이상의 매우 높은 Q 인자를 갖는 온칩 마이크로공진기 제작기술과 김정원 교수팀이 보유한 100아토초(100아토초는 1경분의 1초) 분해능의 펄스 간 타이밍 측정기술의 결합으로 가능했음.

공동연구팀은 기존 연구보다 100배 이상 정밀한 타이밍 측정기술을 이용해 펄스 간 시간 오차를 정확하게 측정할 수 있었음.

또, 그 결과를 이용해 마이크로공진기의 최적 동작 조건을 찾아냄으로써 마이크로콤의 잡음 성능을 획기적으로 높일 수 있었음.

공동연구팀 관계자는 이 신기술을 활용할 경우 다양한 온-칩 광신호처리 시스템의 구현이 가능하다고 내다봤음.

그는 특히 아날로그-디지털 변환기의 경우 샘플링 클럭의 지터 성능에 의해 제한되고 있는데, 이번 연구의 타이밍 성능은 22GHz의 샘플링 속도에서 12비트의 유효 비트 수를 달성할 수 있어 기존 장비의 성능을 뛰어넘을 것으로 예상했음.

이한석 교수는 "펄스 발생효율과 잡음 성능을 더욱 개선하기 위한 새로운 광소자 구성기법을 연구 중ˮ이라고 말함.

김정원 교수도 "개발된 기술을 매우 낮은 위상잡음의 K-밴드 마이크로파 신호원과 초고속 아날로그-디지털 변환기용 샘플링 클럭으로 활용하는 후속연구를 진행 중ˮ이라고 밝혔음.

본 연구 성과는 ‘Optica’ 지에 게재됨.