KAIST, 칩-스케일 초 저잡음 펄스 신호 발생기술 개발

초고 Q-인자의 실리카 마이크로공진기를 이용한 매우 낮은 펄스 간 시간오차의 22-GHz 광 펄스열 생성 및 응용 분야들의 개요./자료제공=KAIST

카이스트(KAIST)는 물리학과 이한석 교수와 기계공학과 김정원 교수 공동연구팀이 실리카 마이크로공진기를 이용해 매우 낮은 잡음으로 펄스 신호를 주기적으로 발생할 수 있는 신기술을 개발했다고 17일 밝혔다.

이 기술을 이용하면 3밀리미터(mm) 지름의 칩으로부터 22기가헤르츠(GHz)의 높은 반복률(단위 시간(1초) 동안 지나가는 펄스의 수)과 2.6 펨토초(385조분의 1초)의 매우 낮은 펄스 간 시간 오차를 동시에 가지는 광 펄스열(optical pulse train)을 발생할 수 있다.


따라서 초고속 광대역 아날로그-디지털 변환기(ADC)의 샘플링 클럭이나 5G·6G 통신용 초 저잡음 마이크로파 신호원으로 활용이 기대된다.

연구팀에 따르면 최근 펨토초 펄스를 레이저 장비가 아닌 칩-스케일의 마이크로공진기 소자에서 생성하는 마이크로콤(micro-comb) 기술이 활발하게 연구되고 있다.

특히 기존의 모드 잠금 레이저가 100메가헤르츠(MHz) 정도의 반복률을 가진 것에 반해 마이크로콤은 기존보다 100배 이상인 수십 기가헤르츠(GHz) 이상의 높은 반복률을 가지기 때문에 다양한 ICT 시스템의 개발 및 제작 등에 폭넓게 적용될 것으로 기대된다.


마이크로콤은 이론적으로는 1펨토초 수준의 매우 낮은 시간 오차를 가질 수 있을 것으로 예측됐지만, 기존에는 측정의 한계 때문에 이러한 성능을 정확하게 규명할 수 없었고 잡음 성능을 최적화할 수도 없었다.

공동연구팀의 이번 연구는 이한석 교수팀이 보유한 1억 이상의 매우 높은 Q 인자를 갖는 온칩 마이크로공진기 제작기술과 김정원 교수팀이 보유한 100아토초(100아토초는 1경분의 1초) 분해능의 펄스 간 타이밍 측정기술의 결합으로 가능했다.

Q 인자는 진동자나 공진기(resonator)가 얼마나 오랫동안 에너지(여기서는 빛)를 담아둘 수 있는지를 나타내며 중심주파수에 따른 공진기의 대역폭을 특성 짓는 값이다. 공진기는 높은 Q 인자 값을 가질수록 더 오래 진동할 수 있으며, 외부로부터 주입되는 에너지를 내부에 더욱 고밀도로 집중시킬 수 있다.

연구팀은 기존 연구보다 100배 이상 정밀한 타이밍 측정기술을 이용해 펄스 간 시간 오차를 정확하게 측정할 수 있었다. 그 결과를 이용해 마이크로공진기의 최적 동작 조건을 찾아내 마이크로콤의 잡음 성능을 획기적으로 높일 수 있었다.

이 신기술을 활용할 경우 다양한 온-칩 광신호처리 시스템의 구현이 가능하다는게 연구팀의 설명이다. 특히 아날로그-디지털 변환기의 경우 샘플링 클럭의 지터 성능에 의해 제한되고 있는데, 이번 연구의 타이밍 성능은 22 기가헤르츠(GHz)의 샘플링 속도에서 12비트의 유효 비트 수(ENOB)를 달성할 수 있어 기존 장비의 성능을 뛰어넘을 것으로 예상된다고도 덧붙였다.

이한석 교수는 "펄스 발생효율과 잡음 성능을 더욱 개선하기 위한 새로운 광소자 구성기법을 연구 중"이라고 말했다.

한편, 이번 연구논문은 국제학술지 '옵티카(Optica)'의 8월 28일자에 게재됐다.