“미래 무선통신은 테라헤르츠”

과학기술

“미래 무선통신은 테라헤르츠”
광섬유에서 빛-물질 상호작용 플랫폼 개발

2018.02.07 10:28 김병희 객원기자

호주의 전기 및 광학 엔지니어들이 전기통신과 광 전송 용량을 크게 향상시킬 수 있는 테라헤르츠 대역폭의 새로운 플랫폼을 고안했다.

시드니와 캔버라의 뉴사우스웨일즈대, 애들레이드대, 남호주대 및 호주국립대 공동연구진은 현재 사용되는 것보다 높은 대역폭 용량으로 새로운 송신 파장을 사용하는 시스템을 실험적으로 시연해 미국물리진흥원(AIP)이 발행하는 ‘APL 광자학’(APL Photonics) 저널 6일자에 발표했다. 이번 실험은 통신 및 포토닉스 기술에 새로운 지평을 연 것으로 평가된다.

광섬유는 속도 빠른 데이터 전송의 선두주자로 마이크로파를 이용해 데이터를 코드화한다. 마이크로파 방사는 가시광선보다 긴 파장을 갖고 있고 그보다 주파수가 낮은 전자기 복사의 일종이다. 이를 이용하는 현재의 마이크로파 무선 네트워크는 낮은 기가헤르츠 주파수 대역폭에서 작동한다. 많은 양의 데이터를 신속하게 전송해야 하는 현대 디지털시대에서는 이 마이크로파 대역폭의 한계가 점점 더 분명하게 나타나고 있다.

자성을 일으키는 쌍극자 방출기와 유전체 광섬유 및 구멍 뜷린 금속성 스크린으로 구성된 실험의 개략도. CREDIT: Andrey E. Miroshnichenko

테라헤르츠파의 특성과 장점

이번 연구에서 연구팀은 마이크로파보다 파장이 짧고 따라서 데이터 전송을 위한 대역폭 용량이 더 높은 테라헤르츠(terahertz; THz) 방사를 탐구했다. 테라헤르츠파는 국제전기통신연합(ITU)이 지정한 0.3~3 THz(1 THz = 10¹² Hz) 주파수 대역 내의 전자파로 구성된다. 마이크로파와 적외선 파장 사이의 중간지점에 위치하며, 파장의 길이는 1 mm에서 0.1 mm. 천문학에서는 서브밀리미터파로 불리고, 외계 신호를 탐지하는 전파망원경에 활용되고 있다.

테라헤르츠 영역에 있는 광자에너지는 비금속 물질의 밴드-갭 에너지보다 작아 이런 물질들을 통과한다. 따라서 물질의 특성 검사와 물체 내부의 고해상도 이미지를 만드는데 활용될 수 있다.

테라헤르츠 방사는 또 통신기지의 효율을 향상시키고, 한층 집속된 신호를 보낼 수 있어 전력 소비를 줄일 수 있다는 것도 장점의 하나다. 논문 저자인 샤지크 아타카라미안스(Shaghik Atakaramians) 박사는 “테라헤르츠 주파수로 옮겨가는 것이 무선통신의 미래라고 생각한다”고 단언했다. 그러나 지금까지 과학기술자들은 테라헤르츠 장치에 빛의 자기적 성질을 활용하는 필수 단계인 테라헤르츠 자기 소스(magnetic source)를 개발하지 못 했다.

테라헤르츠(Terahertz)파는 마이크로파 대역이 시작되기 직전에서부터 적외선 밴드의 맨 끝까지에 위치한다. Credit : Wikimedia Commons / Tatoute

테라헤르츠 자기 소스 창출 성공

연구팀은 테라헤르츠파가 물체와의 상호작용시 패턴이 어떻게 변하는지를 조사했다. 아타카라미안스 박사팀은 이전 연구에서 테라헤르츠 자기(磁氣) 광원은 이론적으로 점 광원이 방사 파장보다 직경이 더 작은 소파장(subwavelength)의 광섬유를 통해 지향될 때 생성될 수 있다고 제안한 바 있다.

이번 연구에서 연구팀은 소파장 직경의 광섬유와 근접한 좁은 구멍을 통해 테라헤르츠 방사를 유도하는 간단한 설정으로 자신들의 개념을 실험적으로 입증했다. 실험에 쓰인 광섬유는 순환 전계(circulating electric field)를 지원할 수 있는 유리 재질로 만들었다. 순환 전계는 테라헤르츠 방사에서 자기 유도 및 증강에 결정적인 역할을 한다.

아타카라미안스 박사는 “테라헤르츠 자기 소스 창출은 우리에게 새로운 방향을 열어주었다”고 말했다. 테라헤르츠 자기원이 개발됨에 따라 마이크로 및 나노장치들이 개발될 수 있는 길이 열린 것. 예를 들면 공항 보안 검색에 테라헤르츠를 활용하면 현재 X선 검사의 이온화에 따르는 위험부담 없이 숨겨진 물건과 폭발성 물질을 X선처럼 효과적으로 찾아낼 수 있다는 것이다.

전자 칩(a)을 테라헤르츠파로 투과한 이미지(b)와 X선을 투과시킨 이미지(c). 테라헤르츠파는 비이온화(비파괴)하는 특성이 있다. Credit : Wikimedia Commons / Kiarash Ahi

“나노기술과 양자기술 발전에 새 창 열어”

자기 테라헤르츠 소스를 사용할 경우 이 자기원-광섬유 플랫폼이 가진 또다른 이점은 시스템을 미세 조정해서 테라헤르츠 데이터 전송의 증감을 변화시킬 수 있다는 점이다. 아타카라미안스 박사는 “자기원과 광섬유의 상대적 방향을 바꿔 시스템에서 얻는 응답 유형을 명확히 정의할 수 있다”고 말했다.

아타카라미안스 박사는 방사를 선택적으로 증강시킬 수 있는 능력은 테라헤르츠 파장에만 국한되지 않는다고 강조했다. 연구를 지휘한 샤람 아프샤르(Shahraam Afshar) 박사는 “여기에서의 개념적 중요성은 전체 전자기 스펙트럼과 원자 방사 소스에 모두 적용 가능하다”고 덧붙였다. 연구팀은 이번 연구가 광범위한 나노기술 및 양지 신호 처리와 같은 양자 기술 발전에도 새로운 문을 열 것으로 보고 있다.

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