KAIST 기계공학과 김정원 교수 연구팀,
초고속 펄스 레이저로 전자 신호 시간 오차
1경분의 1초 이하 수준으로 측정하는 기술 개발


정밀한 시간 성능이 요구되는 차세대 데이터 변환기와 초고속 통신 및 집적회로의 성능을 높일 기술이 국내 연구진에 의해 개발됐다.

한국과학기술원(KAIST) 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 24일, 초고속 펄스 레이저를 이용하여 전자 신호의 시간 오차를 1경분의 1초(100아토초=10^-16초) 이하 수준까지 측정하고 제어하는 기술을 개발했다.

현민지 박사과정 학생이 제1 저자로 참여하고 고려대학교 전자및정보공학과 정하연 교수팀과 공동연구로 수행된 이번 연구는 국제학술지 ‘네이처 커뮤니케이션즈(Nature Communications)’ 7월 22일 자에 ‘Attosecond electronic timing with rising edges of photocurrent pulses’라는 제목으로 게재됐다.

초고속 펄스 레이저를 이용하면 기존의 기술들로 달성하기 어려웠던 시간 안정도를 얻을 수 있다. 지난 십여 년간 이러한 레이저로부터 하나의 마이크로파 주파수 성분을 걸러내어 낮은 위상잡음의 사인파 형태 전자 신호를 발생하는 연구가 세계적으로 이뤄졌다.

하지만 많은 디지털 및 정보통신 시스템들은 사인파가 아닌 펄스나 사각파 형태의 클럭 신호를 사용하는 경우가 많다. 아직 초고속 레이저로부터 펄스 혹은 사각파 형태의 전자 클럭 신호를 생성하여 그 잡음 특성을 측정한 연구는 존재하지 않았다.

연구팀은 독자적으로 개발한 시간 오차 측정기술을 이용하여 초고속 레이저로부터 생성한 전류 펄스 신호의 시간 오차를 50아토초 분해능으로 측정할 수 있었다. 이를 통하여 전류 펄스의 상승 에지(rising edge)에서의 시간 오차가 100아토초 수준으로 매우 작을 수 있음을 세계 최초로 규명했다.

연구팀은 또한 이러한 시간 오차가 광신호의 진폭 잡음이 시간 영역에서의 잡음으로 변환되는 과정에 의하여 제한된다는 것을 밝혔으며, 광신호의 진폭 잡음을 제어함으로써 전류 펄스의 상승 에지에서의 시간 오차를 64아토초 수준까지 제어할 수 있었다.

최근 전자 시스템과 데이터 속도가 급격하게 빨라지며 펄스나 사각파 형태의 전자 클럭 신호의 시간 오차를 줄이는 것이 중요해지고 있다. 고속 데이터 전송 및 데이터변환, 고속 칩 간 통신, 5G 통신 등에서는 이미 수십 펨토초(펨토초=10^-15초, 1천조분의 1초) 수준의 시간 오차를 요구하고 있다.

이번 연구 결과는 초고속 레이저를 이용하면 최근의 요구사항보다 우수한 펨토초 이하의 100아토초 수준까지도 전자 클럭 신호의 시간 오차를 제어할 수 있음을 의미한다. 따라서 향후 초고속 레이저의 ICT 분야에서의 활용이 더욱 본격화될 수 있을 것으로 기대된다.