포항가속기연구소 신희준 박사팀, 세계서 가장 빠른 테라헤르츠 광변조 기술 개발

1.3 피코초(1조분의 1초) 세계 최단 스위칭 속도 구현…초고속 통신·광 센싱 혁신 기대
광변조 속도 한계 극복…초고속 통신, 고성능 광 센싱 기술 발전 기폭제 될 듯

테라헤르츠 메타물질 기반 초고속 능동형 광 변조 기술 모식도. <포항가속기연구소 제공>

세계에서 가장 빠른 테라헤르츠 광변조 기술이 국내 연구팀에 의해 개발됐다. 차세대 초고속 통신과 정밀 광 센싱 등 다양한 분야에서 혁신을 이끌 것으로 기대된다. 포항가속기연구소는 신희준 박사 연구팀이 포항텍 노준석 교수팀과 공동으로 세계에서 가장 빠른 테라헤르츠(THz) 대역 광변조 기술을 개발하는 데 성공했다고 9일 밝혔다. 연구 결과는 응용과학 분야의 권위 있는 학술지 '어드밴스드 사이언스(Advanced Science)'에 게재됐다.

이번 연구에서는 실리콘 기판 위에 분할 고리 공진기(Split-Ring Resonator) 구조의 메타물질을 제작하고, 포항방사광가속기의 펨토초-테라헤르츠 빔라인을 활용한 펌프-프로브 분광법을 적용해 특정 시간 간격에서의 변화를 분석했다. 이를 통해 연구팀은 1.3피코초(1조분의 1초, 10-20초)라는 세계 최단 스위칭 속도를 구현하는 데 성공했다.

광변조 기술은 빛의 세기, 주파수, 위상을 조절해 정보를 전달하는 기술로, 초고속 데이터 전송, 3D 홀로그램 디스플레이, 정밀 의료 진단 센싱 등 다양한 분야에 활용될 수 있다. 특히 테라헤르츠 대역은 기존 마이크로파 대역보다 넓은 주파수 대역폭을 제공해 차세대 고속 통신 및 광 기반 정보 처리 기술의 핵심으로 주목받고 있다.

연구팀은 기존 반도체 기반 능동형 광변조 방식이 갖고 있던 수십 피코초 수준의 스위칭 속도 한계를 극복하기 위해, 실리콘 기판의 광 여기(Photoexcitation) 과정을 이용하는 새로운 방식을 도입했다. 기존 방식에선 반도체의 이완(Relaxation Dynamics) 과정에서 긴 응답 시간이 발생했으나, 이번 연구에선 광 여기만으로 변조 속도를 획기적으로 향상시켰다.

연구팀은 특정 테라헤르츠 주파수에서 500% 이상의 변조 심도를 달성하며, 테라헤르츠파를 자유자재로 조절할 수 있는 능동적 시간 파형 제어에도 성공했다. 이는 기존의 능동형 변조 기술이 갖고 있던 변조 효율성과 속도의 한계를 뛰어넘는 성과로 평가된다. 포항가속기연구소 신희준 박사는 "이번 연구는 테라헤르츠 주파수 대역에서 광변조 속도의 한계를 극복한 중요한 성과"라고 밝혔다.
김기태기자 ktk@yeongnam.com

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