차세대 우주-지상간 통신 기술 개발
차세대 우주-지상간 통신 기술 개발
  • 이웃집과학자
  • 승인 2022.09.05 18:37
  • 조회수 939
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연구 배경 

정확한 시간을 정의하는 것은 다양한 물리량을 측정하는데 필수입니다. 세계 유수의 연구팀들은 매우 미세한 물리량을 측정하기 위해 광신호에 기반한 차세대 시간 표준을 개발하고 있죠. 개발된 시간 표준을 상호 검증하기 위해서 독일의 표준 연구원과 막스플랑크 양자광학 연구소가 서로 협업을 통해 920 km 에 달하는 광섬유를 이용하여 광시계 전송/분배를 구현했었습니다. 하지만 광섬유는 매설된 구간을 이용하기 때문에 공간적 제약이 따를 수 밖에 없죠. 최근 활발해지는 시간표준의 비교/전송 연구와 다양한 표준 주파수 응용기술에 대응하는 데 적합하지 않습니다.

 

최근의 시간 표준에 기반한 측정 기술들은 지상-인공위성의 우주 규모를 포함하여 다양한 장소에서 활용이 되고 있습니다. 한국과학기술원 기계공학과 극초단초정밀광기술연구단의 김승우, 김영진 교수 연구팀은 광섬유를 거치지 않고 대기 중으로 광신호를 전송하여 공간의 제약을 뛰어넘어, 국가간, 대륙간, 나아가 지상-우주간 시간/주파수 표준을 분배하는 기술에 대한 연구를 수행해왔는데요. 대기 중으로 광신호를 전송하여 공간의 제약을 뛰어넘는 차세대 우주-지상 간 광-시간 동기화의 원천 기술인, 대기를 통한 광주파수 전송 및 펨토초 레이저 안정화 기술을 개발에 성공한 것입니다. 펨토초 레이저 광 빗은 시간/주파수 표준으로 활용할 수 있는 광대역(수백만 개의 주파수의 중첩) 레이저, 빛의 스펙트럼이 머리빗과 닮았다 하여 붙여진 이름입니다.

 

시간은 모든 물리량 중에서 가장 기본이 되는 물리단위로 다양한 물리단위를 정의하는 데 활용되기 때문에 우수한 시간 표준을 개발하는 것은 차세대 우주 규모의 측정 분야에서 다양한 물리량을 정확하고 정밀하게 측정을 가능하게 합니다. 

초정밀 광시계 분배를 통한 펨토초 레이저 광빗 안정화. 출처 : KAIST
초정밀 광시계 분배를 통한 펨토초 레이저 광빗 안정화. 출처 : KAIST

이를 위해 먼저 연구팀은 1/1,000,000,000,000,000(천조분의 일) 초에 해당하는 시간 폭을 가지는 매우 정밀한 펨토초 레이저 광 빗에 기반한 시간 표준을 개발했습니다. 하지만 개발에만 수년이 걸리고, 시스템적으로 큰 노력이 들어가는 시간 표준의 개발을 효과적으로 활용하기 위해서 연구팀은 안정화된 레이저의 전송을 통해 다양한 환경에서 시간 표준을 효과적이고 효율적으로 활용할 수 있는 연구에 집중해 왔죠.

 

기대효과

대기를 통해 전송받은 레이저를 펨토초 레이저 광 빗 안정화에 활용해 수백 테라헤르츠(THz) 주파수 영역에서 4 테라헤르츠(THz)의 대역폭에 이르는 안정화 효과를 얻을 수 있었습니다. 안정화된 광 빗을 통해 실질적으로 다양한 분야에 이 기술이 활용될 수 있음을 연구팀은 증명했는데요. 이는 차세대 지상-우주 간 시간 동기화를 통해 다양한 응용연구가 수행될 수 있음을 뜻합니다. 아울러, 200~500 GHz의 주파수를 사용하는 차세대 통신 주파수 대역인 6G 실현을 위해서는 핵심 지역에 해당 주파수를 정밀하게 전송하여야만 하는데 이에 활용 가능합니다.

 

연구팀은 대기를 통과하는 레이저의 우수한 시간 표준 특성이 유지될 수 있도록 하는 데 성공했습니다. 이후 연구팀은 전송된 레이저를 펨토초 레이저 광 빗의 안정화에 적용해 펨토초 레이저가 수 km 떨어진 시간 표준에 해당하는 안정도를 가질 수 있다는 것을 검증했습니다. 동시에 펨토초 레이저 광 빗을 적용해 다양한 응용연구를 수행할 수 있음을 확인했습니다.

 

주저자인 양재원, 이동일 연구원은 "지상-위성 간 광-시간 동기화에 관한 원천기술 개발을 통해 최근 관심이 높아지고 있는 우주의 다양한 측정 응용에 활용할 수 있다는 것을 실질적으로 검증을 수행했다ˮ라고 밝혔습니다.

연구결과는 국제 학술지 `빛: 과학과 응용(Light: Science and Applications)' 8월 12일 字 11권 253호에 출판됐습니다.

논문명 : Frequency comb-to-comb stabilization over a 1.3-km free-space atmospheric optical link


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