KAIST, 작고 저렴한 광대역 광주파수 안정화 기술 개발

광섬유 광학 기술을 이용한 다수의 펄스 레이저 주파수 안정화 기술과 응용. 사진제공=KAIST

양자 센서 성능을 크게 높여줄 수 있는 광대역 광주파수 안정화 기술을 국내 연구진이 개발했다. 특히 광섬유 기술을 활용해 작고 저렴하게 만들 수 있어 응용 가능성에 대한 기대가 높다.

KAIST 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 광섬유 광학 기술을 이용해 고성능 주파수 안정화 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.

레이저 선폭과 광주파수 안정도는 양자광학과 분광학 같은 기초과학 분야뿐 아니라 거리 측정과 형상 이미징, 분산형 센서 등 다양한 응용 분야에서 성능을 좌우한다.

특히 지난해 5월 기본단위 재정의를 통해 국제단위계(SI) 7개 중 6개(시간, 길이, 질량, 전류, 온도, 광도)가 주파수를 이용해 정의돼 광주파수의 안정화는 초정밀 측정과 센서 분야에서 매우 중요하다.

기존에는 다수의 광주파수를 안정화하기 위해 초안정 공진기에 연속파 레이저를 주파수 잠금한 뒤 이를 다시 펄스 레이저에 주파수 잠금하는 방식을 사용했다. 이 방식은 장치 크기가 클 뿐 아니라 환경에 매우 민감해 가격이 수억 원에 달한다. 높은 비용 때문에 소수만 사용하고 있다.

연구진은 부품 신뢰성과 가격 경쟁력을 확보한 광통신용 광섬유 광학 기술을 이용했다. 그 결과 A4 용지 절반보다 작은 소형 장치로 펄스 레이저에서 발생하는 60만 개가 넘는 광주파수 모드들 선폭을 1Hz 수준으로 낮출 수 있었다. 또 각 주파수 모드에서 1,000조 분의 1 수준에서 주파수 안정도를 확보했다.

또 연구진은 광섬유 링크 하나에 두 펄스 레이저를 동시에 안정화하는 방식을 통해 150THz의 넓은 주파수 대역에서 1Hz 수준의 선폭으로 흡수 스펙트럼을 측정할 수 있는 고분해능 듀얼콤 분광학 광원을 선보였다.

광섬유를 이용해 광주파수 안정화 기술을 개발한 김정원 교수(왼쪽)와 권도현 연구원. 사진제공=KAIST

김정원 교수는 “이 연구로 소형, 경량, 저가 장치로 1,000조분의 1 수준으로 광주파수를 안정화할 수 있다”며 “다양한 양자 센서를 센서 네트워크 형태로 확장하는 데 기여할 것”이라고 말했다.

이 연구 결과는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’에 3월 27일 게재됐다.

박응서 머니투데이방송 MTN 선임기자