KAIST, 칩-스케일 초 저잡음 펄스 신호 발생기술 개발
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KAIST, 칩-스케일 초 저잡음 펄스 신호 발생기술 개발
  • 입력 2020-09-17 17:52
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초고 Q인자의 실리카 마이크로공진기를 이용한 매우 낮은 펄스 간 시간오차의 22GHz 광 펄스열 생성 및 응용 분야 개요

 국내 연구진이 높은 반복률과 낮은 잡음으로 펄스 신호를 지속 발생하는 데 성공했다.

한국과학기술원(KAISTㆍ총장 신성철)은 이한석 물리학과 교수와 김정원 기계공학과 교수 공동 연구팀이 실리카 마이크로공진기를 이용해 낮은 잡음으로  펄스 신호를 발생시킬 수 있는 신기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

마이크로공진기는 특정 공진 주파수에서 공진을 일으킬 수 있도록 한 마이크로미터()~밀리미터(mm) 크기 소자다. 굴절률 차이에 따라 내부전반사로 공진기 내부에서 광 파워가 공진 형태로 집약하는 특성을 보인다.

이번에 개발한 기술로 3mm 지름 칩에서 22기가헤르츠(GHz)의 높은 반복률과 2.6 펨토초의 낮은 펄스 간 시간 오차를 동시에 갖는 광 펄스열을 발생할 수 있다.

반복률은 1초 동안 지나가는 펄스 수로 주기 역수에 해당한다. 반복률이 22GHz일 경우, 펄스틑 1초 동안 220억 번 지나간다.

펄스 간 시간 오차는 펄스가 이상적인 주기로부터 얼마나 어긋나는지를 나타내는 값으로 펨토초 펄스 레이저의 중요한 특성 중 하나다. 

KAIST는 초고속 광대역 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 샘플링 클럭이나 5세대(5G)ㆍ6세대(6G) 통신용 초 저잡음 마이크로파 신호원으로 활용할 수 있을 것으로 기대했다.

연구계에서 펨토초(1펨토초=1000조분의 1초) 수준의 펄스 폭을 갖는 광 펄스 생성 모드 잠금 레이저를 기초 과학 분야 주요 광원으로 활용한다. 최근 펨토초 펄스를 레이저 장비가 아닌, 칩-스케일의 마이크로공진기 소자에서 생성하는 마이크로콤 기술을 활발하게 연구하고 있다.

기존 모드 잠금 레이저가 100메가헤르츠(MHz) 정도 반복률을 가졌으나 마이크로콤은 기존보다 100배 이상인 수십 GHz 이상의 높은 반복률을 가지기 때문에 다양한 정보통신기술(ICT) 시스템 개발에 비교적 폭넓게 적용할 수 있다.

연구진은 마이크로콤이 이론적으로 1펨토초 수준의 낮은 시간 오차를 가질 수 있을 것으로 예측했으나 기존 측정 한계 때문에 이러한 성능을 정확히 규명할 수 없었고 잡음 성능을 최적화 할 수 없었다.

공동연구팀의 이번 연구는 이한석 교수팀이 보유한 1억 이상의 높은 Q인자를 갖는 온칩 마이크로공진기 제작 기술과 김정원 교수팀의 100아토초(100아토초=1경분의 1초) 분해능 펄스 간 타이밍 측정 기술 결합으로 가능했다.

Q인자는 진동자나 공진기가 얼마나 오랫동안 빛을 담아둘 수 있는지를 나타내며, 중심주파수에 따른 공진기 대 역폭을 특성 짓는 값이다. 공 진기는 높은 Q인자 값을 가질수록 더 오래 진동할 수 있으며 외부에서  주입한 에너지를 내부에 더욱 고밀도로 집중시킬 수 있다.

공동연구팀은 기존 연구보다  100배 이상 정밀한 타이밍 측정기술을 이용해 펄스 간 시간 오차를 정확히 측정했다. 이후 측정 결과를 바탕으로 마이크로공진기의 최적 동작 조건을 찾아내 마이크로콤의 잡음 성능을 높였다.

이한석 교수는 "펄스 발생 효율과 잡음 성능을 더욱 개선할 수 있도록 새로운 광소자 구성기법을 연구하고 있다"라고 말했다.

 

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