1천조분의 1 수준 광주파수 안정화 기술 개발

KAIST 김정원 교수팀 개가...양자 센서 성능 향상에 기여

KAIST(총장 신성철)는 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 광섬유 광학 기술을 이용한 고성능 주파수 안정화 기술을 개발했다고 8일 밝혔다.

이 기술을 이용하면 150테라헤르츠(THz)의 넓은 대역폭에 걸쳐 일정한 간격으로 분포한 60만 개 이상의 광주파수 모드 선폭을 동시에 1헤르츠(Hz) 수준으로 낮출 수 있다. 원자시계나 주파수 분광학에 활용할 수 있고, 광주파수를 기반으로 한 양자 센서 성능 향상에도 기여할 수 있다고 KAIST는 설명했다.

김정원 교수 외 권도현 박사과정이 1 저자로 참여했고 한국표준과학연구원 시간표준센터와 공동으로 연구를 수행했다. 연구 결과는 국제학술지 사이언스 어드밴시스(Science Advances) 3월 27일 자에 게재됐다. (논문명: Generation of multiple ultrastable optical frequency combs from an all-fiber photonic platform)

왼쪽부터 김정원 교수와권도현 박사과정.

레이저 선폭과 광주파수 안정도는 시간 및 주파수 표준, 양자광학, 분광학 등 기초과학 분야뿐 아니라 거리 측정, 형상 이미징 및 분산형 센서 등 다양한 공학 응용 분야에서 측정 분해능을 결정한다.

특히 작년 5월 기본단위 재정의를 통해 7개 국제 단위계(SI) 중 6개(시간, 길이, 질량, 전류, 온도 및 광도)가 주파수를 기반으로 정의되기 때문에 광주파수 안정도를 확보하는 것은 초정밀 측정 및 센서 분야에서 매우 중요한 이슈로 평가받고 있다.

기존에는 다수의 광주파수를 안정화하기 위해 Q인자가 높은 초안정 공진기에 연속파 레이저를 주파수 잠금한 후 이를 다시 펄스 레이저에 주파수 잠금하는 방식을 사용했다. 하지만 이 방식은 장치 크기가 클 뿐 아니라 주변 환경에 매우 민감한 수억 원 이상 고가 장치여서 소수의 표준 연구소에서만 활용됐다.

KAIST 연구팀은 부품 신뢰성과 가격 경쟁력이 확보된 광통신용 광섬유 광학 기술을 이용한 광주파수 안정화 기술을 개발했다. 그 결과 A4 용지 절반보다 작은 면적의 소형 장치를 이용해 펄스 레이저에서 발생하는 60만 개 이상의 광주파수 모드들의 선폭을 1Hz 수준으로 낮출 수 있었다. 또, 각각의 주파수 모드에서 1천조 분의 1(10-15) 수준의 주파수 안정도를 확보했다.

광섬유 광학 기술을 이용한 다수의 펄스 레이저 주파수 안정화 기술 및 응용 이미지.

연구팀의 기술은 다양하게 활용 가능하다. 특히 최근 대기 중 유해물질 모니터링 등의 분야에서 활용되고 있는 듀얼콤 분광학을 위한 고성능 광원으로 활용할 수 있다.

연구팀은 하나의 광섬유 링크에 두 펄스 레이저를 동시에 안정화하는 방식을 통해 150THz의 넓은 주파수 대역에 걸쳐 1Hz 수준의 선폭으로 흡수 스펙트럼을 측정할 수 있는 고분해능 듀얼콤 분광학 광원을 선보였다. 불변하는 원자 특성을 이용해 고정확도 측정이 가능한 양자 센서의 경우도 광주파수 분광학 기반이기 때문에, 광주파수 선폭과 안정도가 측정 정확도와 신뢰도에 매우 중요하다.

김정원 KAIST 교수는 "이번 연구 결과를 활용하면 소형, 경량, 저가의 장치로 1천조분의 1 수준의 광주파수 안정화가 가능해 다양한 양자 센서를 센서 네트워크 형태로 확장하는 데 기여할 수 있다"고 밝혔다. 이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 이뤄졌다.