세상 최고속 테라헤르츠-광변조 기술 개발…1조분의 1초만에 스위칭 가능

포항가속기연구소, "초고속 통신, 고성능 광 센싱 기술 발전에 기여할 것"

세상에서 가장 빠른 '테라헤르츠 대역 광변조' 기술이 개발됐다. 1조분의 1초만에 스위칭이 가능하다.

포항가속기연구소는 신희준 박사 연구팀이 POSTECH 노준석 교수팀과 공동으로 이 기술을 개발하고, 국제 학술지 어드밴스드 사이언스(Advanced Science)에 온라인으로 게재했다고 7일 밝혔다.

광변조 기술은 빛의 세기, 주파수, 위상을 조절해 정보를 전달하는 기술이다.

포항가속기연구소가 제작한 분할 고리 공진기의 현미경 이미지.

이를 활용해 3D 영상 구현이 가능한 홀로그램 디스플레이, 정밀한 실험 및 측정에 활용되는 펄스파 제어, 빛을 이용한 초고속 데이터 전송 등에 유용하게 쓸 수 있다.

신 박사팀은 기존의 마이크로 대역보다 10만 배 가량 더 넓은 대역폭을 갖는 테라헤르츠 대역에서 파형 제어에 성공했다.

연구팀은 실리콘 기판 위에 분할 고리 공진기(Split-Ring Resonator) 구조의 메타물질을 제작하고, 포항방사광가속기의 펨토초-테라헤르츠 빔라인을 이용해 특정시간 간격에서의 변화를 분석했다.

이 기술 개발에는 주파수 대역의 방사광을 이용해 물질 변화를 분석하는 테라헤르쯔 펌프-프로브 분광법이 이용됐다.

신 박사는 "분할 고리 공진기의 LC 회로(공진회로)에서 단락(Short-circuit)과 기판의 금속화(Metalization) 효과가 발생하는 것을 확인했다"며 "이를 정밀하게 조정해 광변조 성능과 효율성을 획기적으로 개선했다"고 설명했다.

기존에는 반도체의 이완(Relaxation Dynamics) 과정에서 이완시간이 길어 변조 가속도를 올리는데 한계가 존재했다.

하지만 이번 연구에서는 실리콘 기판의 광 여기(전자의 들뜬 상태) 과정만을 이용해 광변조 속도를 획기적으로 개선, 1.3 피코초(10의 -12승초)라는 세계 최단 스위칭 속도를 구현했다.

신 박사는 "특정 테라헤르츠 주파수에서 500% 이상의 변조 심도를 달성했다"며 "테라헤르츠 파를 자유자재로 조절할 수 있는 능동적 시간 파형 제어도 성공적으로 시연했다"고 부연설명했다.

포항가속기연구소가 개발한 테라헤르츠 광변조 기술 모식도(위) 및 주파수 변조 그래프.

신 박사는 "기존의 능동형 변조 기술이 갖고 있던 수십 피코초 수준의 스위칭 한계를 극복할 수 있는 새로운 광변조 기술"이라며 "향후 초고속 데이터 전송, 차세대 이미징 시스템, 정밀 의료진단 센싱 등 다양한 응용 분야에 적용될 것"으로 기대했다.

신 박사 연구팀은 앞으로 테라헤르츠 대역의 고성능 통신 시스템과 광 기반 정보 처리, 광 센싱 플랫폼 개발 등을 추진할 계획이다.