'오차 100만년에 1초' 광섬유 클럭 개발…정확도 1천배 향상

국내 연구진이 전자시스템 간 공조에 사용되는 클럭(clock)의 오차를 100만 년에 1초로 줄여 기존 기술보다 정확도를 1천 배 높일 수 있는 광섬유 클럭 기술을 개발했습니다.

한국과학기술원(KAIST·총장 강성모) 기계항공공학부 김정원 교수 연구팀은 12일 초고속 광섬유 레이저에서 발생하는 테라헤르츠(THz) 주파수를 이용해 0.1초 간 발생하는 오차가 333조분의 1초인 클럭 발진기 원천기술을 개발했다고 밝혔습니다.

이 연구 결과는 국제학술지 '사이언티픽 리포트(Scientific Reports, 11월 4일 자)' 온라인판에 게재됐습니다.

클럭 발진기는 시간 간격이 일정한 신호를 발생시켜 전자시스템들이 이 신호에 맞춰 정확하게 동작하게 하는 장치입니다.

곡 연주에서 메트로놈과 같은 역할을 합니다.

이 클럭 발진기는 각종 정보통신 시스템뿐 아니라 입자가속기·천체관측장치 같은 거대 과학시설, 초정밀 계측 장비, 레이더, GPS 및 위성항법 시스템 등 전 분야에서 핵심 역할을 합니다.

지금까지는 특수 제작된 공진 회로를 이용한 라디오파나 마이크로파 발진기 등을 이용한 방식이 주로 사용됐으나 크고 기계적 안정도가 떨어지며 수억 원 이상의 고가여서 실험실 밖 응용에는 한계가 있었습니다.

연구팀은 신뢰성이 높고 가격경쟁력이 확보된 광통신용 광섬유 부품을 활용한 새로운 방식으로 클럭 발진기를 개발해 이 문제를 해결했습니다.

초고속 광섬유 레이저에서 발생하는 넓은 스펙트럼 내의 두 광주파수(optical frequency) 차이를 이용했습니다.

기존 전자 발진기는 기가헤르츠(GHz) 영역에서 동작하지만, 이 기술은 테라헤르츠(THz) 주파수를 이용해 약 1천 배 민감하게 시차를 측정합니다.

또 광섬유 케이블에서는 빛이 전파되는 시간이 매우 일정하게 유지되는 점을 이용해 테라헤르츠 주파수의 높은 분해능으로 측정된 시차를 광섬유 케이블 내 빛의 전파 시간에 정확하게 맞췄습니다.

이 클럭 발진기는 국제전기통신연합(ITU)이 정한 클럭 신호원 성능기준인 0.1초 간 시간 오차(timing jitter)가 3펨토초(333조분의 1초)로 측정됐습니다.

100만 년 동안 1초의 오차가 발생하는 셈입니다.

연구진은 이 기술은 별도의 고가 소자 없이 세계적 수준의 클럭 발진기 성능을 얻을 수 있고 상용화 시 제작비용도 기존 최고 성능 발진기의 10분의 1 이하라며 아날로그-디지털 변환기·고성능 신호 분석기 등 ICT 시스템, 레이더·원격 탐사·위성항법 등 국방, 우주, 환경 기술 분야에 활용될 수 있다고 밝혔습니다.

김 교수는 "이 기술은 군용 레이더, 보안 분야와 연관성 때문에 주요 장비의 수출이 금지된 경우가 많아 순수 국내 기술로 개발한 것에 의의가 있다"며 "앞으로 유리기판 위에 시스템을 구현해 칩 스케일의 고성능 클럭으로 발전시킬 계획"이라고 말했습니다.

(SBS 뉴미디어부)