[굿모닝충청 정민지 기자] 김승우·김영진 KAIST 기계공학과 교수 공동연구팀이 펨토초 레이저 광빗을 대기로 전파하는 도중에 발생하는 왜곡을 실시간으로 제어하고 보정할 수 있는 '다채널 광주파수의 초정밀 전송 원천기술'을 개발했다.
22일 KAIST에 따르면, 연구팀은 이번 기술이 차세대 우주-지상간 광대역 초고속 광통신 구현과 차세대 향법장치 성능 개선에 이바지할 것으로 기대한다고 밝혔다.
'펨토초 레이저 광빗'이란 시간/주파수 표준으로 활용 가능한 광대역 펄스 레이저를 뜻한다.
대기를 전파하는 레이저는 대기의 온도, 압력, 습도 및 바람 등의 영향을 받아 광주파수 및 위상의 안정도가 크게 떨어진다. 특히 대기가 핵심적으로 분포하는 고도 10㎞ 이하의 대류권에선 이와 같은 현상이 심하게 발생한다.
이러한 혹독한 대기 환경을 겪는 레이저는 고유한 특성을 잃어버려 초기엔 우수한 안정도를 갖는 레이저라도 대기를 통과한 뒤엔 우수성을 잃게 된다.
연구팀은 이러한 문제 해결을 위해 주파수 표준에 안정화된 펨토초 레이저 광빗에서 레이저들을 추출하고 그 중 하나의 파장을 이용해 대기 환경변화를 실시간으로 추적했다.
이를 음향 광학 장치를 통해 대기 환경변화를 제어함으로써 레이저의 우수한 특성이 유지될 수 있도록 했다.
연구팀은 1초 측정 시 1/1,000,000,000,000,000(천조분의 일)초의 오차를 갖는 우수한 안정도의 펨토초 레이저 광빗을 대기(18㎞)에 전파시키고, 통과하는 중에 발생하는 대기의 영향을 정밀하게 측정하고 제어하는 데 성공했다.
그 결과 레이저의 성능이 대기를 통과하기 전과 후의 큰 차이가 없는, 우수한 안정도로 전송하는 다채널 광주파수 초정밀 대기전송 기술을 개발했다.
연구팀이 이용한 펨토초 레이저 광빗은 4 테라헤르츠(THz)에 이르는 광대역 주파수를 보유한 레이저로, 각각의 주파수를 하나의 레이저로 이용할 수 있어 확장성이 매우 크며 보상 채널의 한 파장으로 전체 대역을 보상해줌으로써 펨토초 레이저 광빗의 특성을 그대로 전파할 수 있다.
이 기술을 이용하면 기존의 마이크로파를 통한 지상-우주간 인공위성 통신의 통신용량 한계를 극복하고 시간 표준을 분배함으로써 항법장치의 성능을 개선할 수 있다.
또 빛의 직진성을 통해 에너지 효율을 획기적으로 개선하고 도청 및 감청에 대한 보안성 또한 확보할 수 있을 것으로 기대된다.
이번 연구의 주저자인 강현재·양재원 연구원은 “대기 중으로 전파하는 레이저가 대기 영향을 받아도 레이저의 특성을 그대로 유지해 전송될 수 있다는 것을 보여줬다”며 “이는 광섬유를 통해 전파하던 레이저를 공간의 제약을 뛰어넘어 활용할 수 있다는 가능성을 보여주는 결과”라고 밝혔다.
이어 “광시계 분배 및 동기화로 차세대 항법장치의 성능 개선과 인공위성-지상간 초고속 광통신 연구에도 활용될 수 있을 것으로 기대한다”고 말했다.
한편 이번 연구는 한국연구재단의 과학기술분야 기초연구사업-개인연구사업-리더연구(국가과학자) 지원을 받아 수행됐다.
강현재 연구원이 1 저자로 참여한 이번 연구 결과는 국제 학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature communications)’ 9월 30일 자 온라인판에 게재됐다.(논문명: Free-space transfer of comb-rooted optical frequencies over an 18㎞ open-air link)
