대기 중에서 왜곡과 성능 저하가 발생하지 않는 광대역 주파수 광 전송기술이 개발됐다. 현재 사용되는 전파(마이크로파)를 대체할 수 있어, 우주와 지상을 연결하는 초고속 광통신과 차세대 항법장치 개발에 도움이 될 것으로 기대된다.
KAIST는 김승우, 김영진 기계공학과 교수와 강현재, 양재원 연구원팀이 수백만 개의 주파수를 갖고 1000조 분의 1 간격(펄스)으로 레이저를 가할 수 있는 초미세 광대역 펄스 레이저인 ‘펨토초 레이저 광빗(optical comb)’을 대기 중 손실 없이 실시간으로 제어하고 보정하는 기술을 개발했다고 22일 밝혔다. 광빗은 마치 빗살처럼 여러 주파수를 보유한 빛이라는 뜻에서 붙은 말이다.
레이저는 빛을 이루는 입자인 광자가 ‘결맞음’이라는 양자역학적 상태를 공유하고 있는 상태다. 얇은 막대를 여러 개 뭉치면 굵고 튼튼해지듯, 레이저는 일반 빛처럼 흩어지지 않은 채 멀리까지 직선으로 뻗어 나갈 수 있어 정보 전송 등에 유용하게 활용된다. 하지만 대기의 온도나 압력, 습도 등에 영향을 받으면 안정성이 떨어지는 단점이 있다. 특히 대기에 취약해 위성통신 등에 사용되지 못해 왔다.
연구팀은 이 문제를 해결하기 위해 펨토초 레이저 광빗에서 레이저를 추출해 하나의 파장이 대기 환경 변화에 따라 겪는 변화를 실시간으로 추적했다. 그 뒤 광학장치를 이용해 대기 환경 변화를 제어해 레이저가 특성을 잃지 않도록 조절하는 기술을 개발했다.
연구팀은 안정적인 펨토초 레이저 광빗을 대전 유성구 KAIST에 만든 뒤 18km 떨어진 계적산까지 쏘아 보내고 대기에 의한 손실이 얼마나 많은지 측정했다. 그 결과 대기 통과 전후에 레이저 품질에 차이가 거의 없는 안정적인 레이저를 만들었다는 사실을 확인했다.
연구팀은 이 기술이 수백만 개의 주파수를 포함한 광대역 주파수로, 확장성이 매우 클 것으로 기대하고 있다. 강 연구원과 양 연구원은 “광섬유를 통해 전파하던 레이저를 공간의 제약을 뛰어넘어 활용할 가능성을 보여줬다”며 “기존의 마이크로파를 대신할 경우 지상과 우주 사이에 초고속 대용량 광통신이 가능할 것”이라고 말했다. 또 세밀하고 안정적으로 시간을 정확히 전달할 수 있어 항법장치의 성능을 개선하는 데에도 도움이 될 것으로 기대했다.
이 연구 결과는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션스’ 9월 30일자에 발표됐다.
2019년 10월 28일
충북 단양의 장촌말 집에서
윤신영 기자님께서
동아사이언스에서 발송해 준 Mail을 복사하여
단양의 화통 / 6K2FYL. 신영섭 올림.