KAIST, 세계 최고 안정도 갖는 초안정 테라헤르츠파 생성 기술 개발

차세대 6G 통신 대역 표준 확립 및 초정밀 테라헤르츠 응용에 활용 기대

사진왼쪽부터 KAIST 기계공학과 김승우 교수, 기계공학과 김영진 교수 기계공학과 졸업생 신동철 박사

차세대 6G 무선통신, 양자 분광 기술, 나아가 군용 레이더 기술을 실현하고, 6G 통신 기기 간 주파수 표준으로 이용될 수 있는 넓은 대역의 테라헤르츠파* 응용 기술이 개발되어 획기적인 성능 향상을 가져올 것으로 예상된다.

*테라헤르츠파(THz): 밀리미터파와 광파 사이(100기가헤르츠(GHz) ~ 3테라헤르츠(THz))에 해당하는 전자기파

KAIST는 기계공학과 김승우, 김영진 교수 공동연구팀이 차세대 6G 이동통신 대역으로 알려진 테라헤르츠 대역에서 세계 최고 수준의 안정도를 가지는 초안정 테라헤르츠파 생성 원천기술을 개발했다고 3일 밝혔다.

차세대 테라헤르츠파 기술을 선점/선도하기 위해서는, 핵심 테라헤르츠 소자들에 대한 개발, 평가 및 선점이 필수적이다. 하지만, 테라헤르츠 전송, 변조 및 검출 소자들에 대한 평가를 수행할 수 있는, 초안정 표준급 테라헤르츠 신호 생성에 어려움이 있어, 이러한 핵심 소자들에 대한 접근에 지금까지 제한이 존재해 왔다.

기존의 테라헤르츠파 생성 방식은 상대적으로 낮은 주파수 안정도를 가지는 마이크로파 원자시계에 기반한 것으로, 최근 개발된 광 시계와 비교하여서는 수천 배 이상 낮은 안정도를 보여 왔다.

광 시간 표준 기반 초안정 테라헤르츠파 생성 기술

이를 극복하기 위해, 연구팀에서는 천조분의 일(1/1,000,000,000,000,000)의 안정도를 가지는 매우 정밀한 광주파수 대역의 시간 표준을 안정화하는 펨토초 레이저 광빗*으로부터 두 개의 레이저를 추출/합성해 테라헤르츠파를 생성했다. 이 과정에서 연구팀은 다양한 잡음을 면밀히 분석하고, 광빗의 우수한 안정도를 유지하기 위해 잡음 보상/제어 기술을 개발했다. 이후, 광빗의 넓은 대역폭 특성을 활용하여 테라헤르츠파를 생성했으며, 전대역에서 시간 표준 수준의 안정도(천조분의 일)를 가지는 것을 실험적으로 검증했다. 이는 세계 최고 수준의 광 시계 안정도를 테라헤르츠 대역에서도 새로이 실현할 수 있음을 의미한다.

*펨토초 레이저 광 빗: 시간/주파수 표준으로 활용할 수 있는 광대역(수백만 개의 주파수의 중첩) 레이저, 빛의 스펙트럼이 머리빗과 닮았다 하여 붙여진 이름이다.

KAIST 기계공학과 신동철 연구원이 제1 저자로 참여한 이번 연구는 국제 학술지 `네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)'에 2월 11일 게재됐다. (논문명: Photonic comb-rooted synthesis of ultra-stable terahertz frequencies)

이 기술은 광 시간 표준에 기반한 세계 최고 수준의 초안정 테라헤르츠파를 생성할 수 있어, 차세대 6G 통신 대역에서 초고속 통신을 실현하고, 6G 통신 기기 간 주파수 표준으로 이용될 수 있다. 또한, 생성한 테라헤르츠파는 밀리헤르츠(mHz) 수준의 정확도로 실시간 변조 가능하다는 것을 검증했다.

주저자인 신동철 연구원은 "펨토초 레이저 광빗을 매개로 한 테라헤르츠 생성 기술 개발을 통해 세계 최고 수준의 광 시계 안정도를 테라헤르츠 영역으로 확장할 수 있음을 실험적으로 검증했다ˮ며 "차세대 6G 무선통신 대역에서 가장 우수한 안정도를 선점한 것에 의미가 있고 테라헤르츠 핵심 소자 평가 등에 응용돼 테라헤르츠 대역 표준 확립에 도움될 것이다ˮ라고 말했다.

한편 이번 연구는 한국연구재단의 과학기술분야 기초연구사업-개인연구사업- 리더연구(국가과학자)지원을 받아 수행됐다.

□ 연구개요

연구 배경

테라헤르츠파(THz)는 밀리미터파와 광파 사이(100 GHz ~ 3 THz)에 해당하는 전자기파로, 안정적인 테라헤르츠파 생성 기술은 향후 군용 레이더, 양자 분광기술, 나아가 차세대 6G 무선 통신 기술 실현에 있어 필수적으로 요구된다. 하지만 기존의 테라헤르츠파 생성 방식은 루비듐 시계, 세슘 시계 및 수소 시계 등 상대적으로 낮은 주파수를 가지는 원자시계에 기반한 것으로, 최근 개발된 광격자시계와 비교하여 약 천 배 정도 낮은 안정도를 보이는 실정이다. 이러한 안정도를 향상하기 위해 일본 및 미국 공동연구팀은 비교적 안정적인 광주파수에 안정화된 테라헤르츠파 생성 기술을 2021년 네이처포토닉스 지에 보고한 바 있다. 하지만 해당 주파수 안정도 또한 현재까지 보고된 광 시간 표준보다 천 배 낮은 수준에 지나지 않는다. 한국과학기술원 기계공학과 극초단초정밀광기술연구단의 김승우, 김영진 교수 연구팀은 고예리도 공진기를 기반으로 한 광 시간 표준을 이용한 광주파수 생성 원천기술을 보유하고 있다.

2. 연구 내용

연구팀은 1/1,000,000,000,000,000 (천조분의 일) 수준의 우수한 안정도를 가지는 고예리도 광 공진기를 시간 표준으로 정의하고, 이를 이용한 초안정 테라헤르츠 생성 연구를 수행하였다. 이를 위해 시간 표준에 안정화된 광빗으로부터 두 개의 광주파수를 추출하여 포토믹서를 통해 테라헤르츠파를 합성하였으며, 광전도 안테나를 이용하여 테라헤르츠파의 안정도를 측정하였다. 테라헤르츠 생성 및 검출 과정에서 발생하는 잡음을 면밀히 분석하였으며, 외부에서 들어오는 열적 잡음 등을 억제하기 위한 제어시스템을 개발했다. 결과적으로 연구팀은 매우 안정적인 시간 표준의 안정도를0.1 THz ~ 1 THz 의 테라헤르츠 영역에서 구현할 수 있었으며, 이는 세계 최고 수준의 안정도에 해당한다.

3. 기대 효과

테라헤르츠 대역에서 세계 최고 수준의 안정도를 기록한 본 기술은 향후 군용 레이더, 양자 분광기술, 차세대 6G 무선 통신 등의 다양한 분야에서 획기적인 성능 향상을 가져올 그것으로 예상한다. 또한, 본 기술의 높은 안정도와 광-테라헤르츠 연결성은 향후 논의될 차세대 통신 표준 확립에 크게 기여할 것으로 기대한다.

KAIST 홍보실 제공