KAIST, 칩 스케일 마이크로콤 기술 개발
22GHz 반복률, 2.6펨토초 타이밍 지터
동시에 가지는 광 펄스 열 발생 가능


한국과학기술원(KAIST) 물리학과 이한석 교수와 기계공학과 김정원 교수 공동연구팀은 17일, 실리카 마이크로공진기(silica microresonator)를 이용해 매우 낮은 잡음으로 펄스 신호를 주기적으로 발생하게 하는 기술을 개발했다고 밝혔다.

이 기술을 이용하면 3mm 지름의 칩으로부터 22GHz의 높은 반복률(repetation rate)과 2.6펨토초(385조분의 1초)의 낮은 펄스 간 시간 오차(timing jitter)를 동시에 가지는 광 펄스 열(optical pulse train)을 발생하게 할 수 있다. 따라서 초고속 광대역 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter; ADC)의 샘플링 클럭이나 5G, 6G 통신용 초 저잡음 마이크로파 신호원을 개발하는 데 활용할 수 있을 것으로 기대된다.

펨토초(1,000조분의 1초) 수준의 펄스 폭을 가지는 광 펄스를 생성하는 모드 잠금 레이저(mode-locked laser)는 기초 과학 분야에서 중요한 광원으로 활용되고 있다. 최근에는 펨토초 펄스를 레이저 장비가 아닌 칩 스케일의 마이크로공진기 소자에서 생성하는 마이크로콤(micro-comb) 기술이 연구되고 있다. 기존 모드 잠금 레이저가 100MHz 정도의 반복률을 가진 것에 반해 마이크로콤은 100배 이상인 수십 GHz 이상의 높은 반복률을 가진다.

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

이번 연구는 이한석 교수팀이 보유한 1억 이상의 매우 높은 Q 인자(Quality factor)를 갖는 온칩 마이크로공진기 제작기술과 김정원 교수팀이 보유한 100아토초(1경분의 1초) 분해능의 펄스 간 타이밍 측정기술을 결합하여 가능했다.

공동연구팀은 기존보다 100배 이상 정밀한 타이밍 측정기술을 이용해 펄스 간 시간 오차를 측정할 수 있었고, 그 결과를 이용해 마이크로공진기의 최적 동작 조건을 찾아냄으로써 마이크로콤의 잡음 성능을 높일 수 있었다.

이한석 교수는 “펄스 발생효율과 잡음 성능을 더욱 개선하기 위한 새로운 광소자 구성기법을 연구 중”이라고 밝혔다. 김정원 교수도 “개발된 기술을 매우 낮은 위상잡음의 K-밴드 마이크로파 신호원과 초고속 ADC용 샘플링 클럭으로 활용하는 후속 연구를 진행 중ˮ이라고 밝혔다.