KAIST 기계공학과 김승우, 김영진 교수 공동연구팀이 펨토초 레이저 광빗을 대기로 전파할 때 발생하는 왜곡을 실시간으로 제어하고 보정할 수 있는 기술을 개발했습니다. 다채널 광주파수의 초정밀 전송 원천 기술을 개발한건데요. 이번 기술은 차세대 우주-지상간 광대역 초고속 광통신 구현과 차세대 항법장치의 성능 개선에 이바지할 것으로 기대됩니다. 해당 연구는 <Nature communications>에 게재됐습니다.
- 펨토초 레이저 광빗?
시간/주파수 표준으로 활용 가능한 광대역 펄스 레이저를 말합니다.
펨토초 레이저 광빗에서 레이저 추출
대기로 전파하는 레이저는 대기의 온도, 압력, 습도 및 바람 등의 영향을 받아 광주파수 및 위상의 안정도가 크게 떨어집니다. 특히 대기가 핵심적으로 분포하는 고도 10km 이하의 대류권에서는 이와 같은 현상이 심하게 발생하죠. 초기에는 우수한 안정도를 갖는 레이저라도 혹독한 대기 환경을 겪고 난 후에는 그 고유한 특성을 잃게 되는데요.
연구팀은 안정화된 펨토초 레이저 광빗에서 레이저들을 추출하고 그 중 하나의 파장을 이용해 대기 환경 변화를 실시간으로 추적했습니다. 연구팀은 음향 광학 장치를 이용해 대기의 환경 변화를 제어하면서 레이저의 우수한 특성이 유지될 수 있도록 했습니다.
연구팀은 1초 측정 시 1/1,000,000,000,000,000(천조분의 일)초의 오차를 갖는 우수한 안정도를 갖는 펨토초 레이저 광빗을 대기(18 km)에 전파시켰습니다. 그리고 통과 중에 발생하는 대기의 영향을 정밀하게 측정하고 제어하는 데 성공했습니다. 그 결과 연구팀은 레이저의 성능이 대기를 통과하기 전과 후의 큰 차이 없이 우수한 안정도로 전송하는 다채널 광주파수 초정밀 대기전송 기술을 개발했습니다.
연구팀이 이용한 펨토초 레이저 광빗은 4 테라헤르츠(THz)에 이르는 광대역 주파수를 보유한 레이저로 각각의 주파수를 하나의 레이저로 이용할 수 있습니다. 덕분에 확장성이 매우 커졌는데요. 보상 채널의 한 파장으로 전체 대역을 보상해줌으로써 펨토초 레이저 광빗의 특성을 그대로 전파할 수 있었습니다.
이 기술을 이용하면 기존의 마이크로파를 통한 지상-우주간 인공위성 통신의 통신용량 한계를 극복하고 시간 표준을 분배함으로써 항법장치의 성능을 개선할 수 있습니다. 또한 빛의 직진성을 이용한다면 에너지 효율을 획기적으로 개선하고 도청 및 감청에 대한 보안성 또한 확보할 수 있을 것으로 기대됩니다.
이번 연구 논문의 주저자인 강현재, 양재원 연구원은 "대기 중으로 전파하는 레이저가 대기 영향을 받아도 레이저의 특성을 그대로 유지해 전송될 수 있음을 보였다"며 "이는 광섬유를 통해 전파하던 레이저를 공간의 제약을 뛰어넘어 활용할 수 있다는 가능성을 보여주는 결과"라고 전했는데요. 덧붙여 "광시계 분배 및 동기화로 차세대 항법장치의 성능 개선과 인공위성-지상간 초고속 광통신 연구에도 활용될 수 있을 것으로 기대한다"고 말했습니다.
##참고자료##
- Kang, Hyun Jay, et al. "Free-space transfer of comb-rooted optical frequencies over an 18 km open-air link." Nature communications 10.1 (2019): 1-8.
