학과소식

김정원 교수팀, 초안정, 광대역 광주파수 안정화 기술 개발

관리자 2020.04.07

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<김정원 교수, 권도현 박사과정 학생>



<광섬유 광학 기술을 이용한 다수의 펄스 레이저 주파수 안정화 기술 및 응용. 펄스 레이저의 주파수 잡음을 광섬유 링크 기반의 마이켈슨 간섭계를 이용하여 검출하고, 주파수 안정도를 10-15 수준으로 개선하는 것이 기본 원리.>
 
KAIST 기계공학과 김정원 교수 연구팀이 광섬유 광학 기술을 이용하여 초안정 광주파수 안정화 기술을 개발하였습니다. 이 기술을 이용하면 150 THz의 대역폭에 걸쳐 일정한 간격으로 분포한 60만개 이상의 광주파수 모드들의 선폭을 동시에 1 Hz 수준으로 낮출 수 있어, 원자시계나 주파수 분광학에서 활용될 수 있을 뿐 아니라 광주파수를 기반으로 한 양자센서들의 성능도 크게 향상시킬 수 있을 것으로 기대됩니다.
 
권도현 박사과정 학생이 제1저자로 참여하고 한국표준과학연구원 시간표준센터와의 공동연구로 수행된 이번 연구는 국제학술지 ‘사이언스 어드밴시스(Science Advances)’ 3월 27일자에 게재되었습니다. (논문명: Generation of multiple ultrastable optical frequency combs from an all-fiber photonic platform)
 
레이저의 선폭과 광주파수의 안정도는 시간/주파수 표준, 양자광학, 분광학 등 기초과학 분야뿐 아니라 거리 측정, 형상 이미징 및 분산형 센서 등 다양한 공학 응용에서의 측정 분해능을 결정합니다. 특히 2019년 5월 기본단위의 재정의를 통하여 7개의 SI 기본단위 중 6개(시간, 길이, 질량, 전류, 온도 및 광도)가 주파수로부터 파생되어 정의되기 때문에 광주파수의 안정도를 확보하는 것은 초정밀 측정 및 센서 분야에서 그 어느 때보다 중요해지고 있습니다.
 
기존에는 다수의 광주파수들을 안정화하기 위해서는 기계적 안정성이 높은 초안정 공진기에 연속파 레이저를 주파수 잠금한 후 이를 다시 펄스 레이저에 주파수 잠금하는 방식을 사용하였습니다. 하지만 이 방식은 장치의 크기가 클 뿐 아니라 기계적 안정도가 떨어지고 수억 원 이상의 고가 장치이기 때문에 소수의 표준 연구소들에서만 주로 활용되어 왔습니다.
 
연구팀은 부품의 신뢰성과 가격 경쟁력이 확보된 광통신용 광섬유 광학 기술을 이용한 광주파수 안정화 기술을 개발하였습니다. 그 결과, A4 용지 절반보다 작은 면적의 소형 장치를 이용하여 펄스 레이저에서 발생하는 60만개 이상의 광주파수 모드들의 선폭을 1 Hz 수준으로 낮출 수 있었으며, 각각의 주파수 모드들에서 1000조분의 1 (10-15) 수준의 주파수 안정도를 확보할 수 있었습니다.
 
연구팀이 개발한 기술은 다양한 방식으로 활용될 수 있는데, 특히 최근 대기중의 유해물질 모니터링 등의 분야에서 활용되고 있는 듀얼콤 분광학을 위한 고성능 광원으로 활용될 수도 있습니다. 연구팀은 하나의 광섬유 링크에 두 펄스 레이저를 동시에 안정화하는 방식을 통하여 150 THz의 넓은 주파수 대역(1000 nm에서 2000nm의 파장 범위에 해당)에 걸쳐 1 Hz 수준의 선폭으로 흡수 스펙트럼을 측정할 수 있는 고분해능 듀얼콤 분광학 광원을 선보였습니다.
 
불변하는 원자의 특성을 이용하여 고정확도 측정이 가능한 양자 센서의 경우도 광주파수 분광학 기반이기 때문에, 광주파수의 선폭과 안정도가 측정의 정확도와 신뢰도에 매우 중요합니다다.
김 교수는 “이번 연구 결과를 활용하면 소형, 경량, 저가의 장치로 1000조분의 1 수준의 광주파수 안정화가 가능하기 때문에 다양한 양자 센서를 센서 네트워크 형태로 확장하는 데 기여할 수 있을 것”이라고 말했습니다.

이번 연구는 한국연구재단 중견연구자지원사업의 지원을 받아 수행되었습니다.