가정이나 직장, 지하철이나 버스 안에서도 무선 데이터 전송시스템인 와이-파이(Wi-Fi)가 활성화돼 통신 인프라가 구축된 곳에서는 어디서나 무료 혹은 저렴한 비용으로 무선 인터넷 접속이 가능해졌다.

와이-파이(Wi-Fi)와 셀룰러 통신이 대량 보급되면서 데이터 트래픽도 기하급수적으로 늘어나고 있다. 그러나 무선 링크의 용량이 증가하지 않으면 병목현상이 생겨 통신에 장애가 생긴다. 전문가들은 곧 실생활에 널리 적용될 것으로 예상되는 5G 네트워크 역시 임시 해결책으로서 장기적인 해법은 아니라고 보고 있다.

연구자들은 이에 대한 돌파구를 찾기 위해 전자기 스펙트럼의 서브밀리미터 파장인 테라헤르츠 주파수에 관심을 기울여 왔다. 테라헤르츠 주파수를 통한 데이터 전송은 오늘날의 무선보다 수백 배나 빠른 장점이 있다.

“레이저 작동방식의 패러다임 전환”

2017년 미국 하버드 공학 및 응용과학대(SEAS) 연구팀은 양자 캐스케이드 적외선 주파수 빗(comb)이 테라헤르츠 주파수를 생성하는 새로운 방법을 제공할 수 있다는 사실을 발견한 바 있다. 이들 연구팀은 최근 이 양자 캐스케이드 적외선 주파수 빗이 정보를 효율적으로 인코딩할 수 있는 통합형 송신기 혹은 수신기 역할을 할 수 있게 한다는 새로운 현상을 발견했다.

이번 연구는 세계광학회 기관지인 ‘옵티카’(Optica) 최근호에 발표됐다.

논문의 시니어 저자인 페데리코 카파소(Federico Capasso) 응용물리학 교수는 “이 현상은 레이저 작동방식에 대한 완전한 패러다임 전환을 나타낸다”고 말했다. 그는 “이 새로운 현상은 광 주파수에서 작동하는 장치인 레이저를 마이크로웨이브 주파수에서 향상된 변조기로 변환이 가능하다”며, “이는 통신시스템에서 대역폭을 효율적으로 사용할 수 있는 기술적 중요성을 지닌다”고 설명했다.

주파수 빗은 빛의 색깔 등을 통해 서로 다른 주파수들을 측정하고 탐색하는데 널리 사용되는 고정밀 도구다. 단일 주파수를 방출하는 기존의 레이저와 달리 이 레이저는 빗의 빗살과 유사한 균일한 간격으로 여러 주파수를 동시에 방출한다. 오늘날 광 주파수 빗은 특정한 분자의 자취를 측정하는 것에서부터 칠레 아타카마 사막의 서브밀리미터파 전파망원경군집처럼 멀리 떨어진 외계 행성을 탐색하는 일에까지 수많은 작업에 사용되고 있다.

무선통신의 테라헤르츠 새 자원 확보

그러나 이번 연구는 레이저의 광 출력과는 상관이 없다.

논문 제1저자인 마르코 피카르도(Marco Piccardo) SEAS 박사후과정 연구원은 “우리는 레이저 내부의 전자 골격에서 일어나는 일에 관심을 가졌다”며, “연구를 통해 처음으로 광 파장의 레이저가 마이크로웨이브 장치로 작동한다는 사실을 보여주었다”고 밝혔다.

레이저 안에서 주파수가 서로 다른 빛들이 합쳐져 마이크로웨이브를 생성해 방출된다. 연구팀은 레이저의 빈 공간 안에 있는 빛이 통신 스펙트럼 안에서 일어나는 현상처럼 전자들을 마이크로웨이브 주파수로 진동시킨다는 사실을 발견했다. 이 진동은 정보를 전송 신호로 인코딩하도록 외형적으로 변조될 수 있다.

피카르도 박사는 “이 기능은 이전에 레이저에서 시연된 적이 없다”며, “우리는 레이저가 두 개의 서로 다른 정보 단편이 단일 주파수 채널로 동시에 보내져 통신 링크의 단말에서 성공적으로 검출될 수 있는 이른바 직각 위상(quadrature) 변조기로 작동할 수 있다는 사실을 보여주었다”고 설명했다.

카파소 교수는 “현재 테라헤르츠 자원은 제한된 대역폭으로 인해 심각한 한계에 직면해 있다”며, “이번 발견은 주파수 빗의 완전히 새로운 양상을 열어주어 가까운 장래에 무선 통신의 테라헤르츠 자원으로 이용될 수 있을 것”이라고 전망했다.