광주파수빗(optical frequency comb)은 초고속 광학(ultrafast optics)과 주파수 측정(frequency metrology)의 융합으로 탄생한 기술로, 광 주파수와 마이크로파 주파수 도메인의 연결성을 혁신적으로 향상시켜 시간과 주파수 과학 분야에서 핵심적인 역할을 수행하고 있다. 이 기술은 광 주파수와 마이크로파 주파수 간의 결맞음 연결(coherent linking)을 가능하게 함으로써 기존 기술로는 불가능했던 시간/주파수 정밀도와 안정도를 제공하며, 다양한 측정과 제어의 한계를 극복하는 데 크게 기여했다. 광주파수빗의 발전은 펨토초 모드잠금 레이저(mode-locked laser), 마이크로콤(micro-comb), 전광 주파수빗(electro-optic comb)과 같은 다양한 광원 기술의 개발에 의해 가속되었으며, 각각의 기술은 특정 응용 분야에서 독특한 장점을 제공한다. 본 논문에서는 광주파수빗의 역사적 배경과 발전 과정을 살펴보고, 다양한 광원 기술과 응용 사례를 소개한다. 특히 저자가 수행한 광주파수빗을 활용한 타이밍 및 동기화 연구를 중심으로 주요 성과를 논의하고, 이 기술이 현재와 미래에 제공할 수 있는 과학적, 기술적 가능성을 조명하고자 한다.

2.1. 모드 잠금 레이저를 이용한 초고속 광학

레이저가 발명된 후 1960년대에 모드 잠금(mode-locking) 기술이 개발되며 피코초(picosecond, 10⁻¹²초) 영역 펄스폭의 펄스 레이저의 구현이 가능해졌다. 이후 1970년대 색소 레이저(dye laser)에 모드 잠금 기술을 적용함으로써 펨토초(femtosecond, 10⁻¹⁵초) 펄스폭의 펄스 레이저가 가능해졌고, 1990년대에 티타늄-사파이어(Ti:sapphire) 결정을 이득 매질로 사용한 커-렌즈 모드 잠금(Kerr-lens mode-locking) 기술^[1]을 이용한 안정적인 티타늄-사파이어 레이저가 개발되어 현재에 이르기까지 대표적인 펨토초 레이저 광원으로서 널리 사용되고 있다. 이러한 짧은 펄스폭의 광펄스들은 펌프-프로브(pump-probe) 형태의 초고속 시간 영역 분광학을 가능하게 하여 매우 짧은 시간 동안 일어나는 초고속 현상들을 관측할 수 있는 중요한 기술로 자리 잡았으며, 이는 초고속 광학 분야의 개척을 이끌었다^[2].

펨토초 모드 잠금 레이저의 출력은 시간 영역에서 매우 짧은 펄스폭의 광 펄스열(optical pulse train)을 생성하며, 이는 주파수 영역에서 여러 개의 종모드들(longitudinal modes)이 일정한 위상 관계를 유지하며 동시에 발진하는 형태를 보인다. 이러한 특성 때문에 이를 모드 잠금(mode-locked) 레이저라고 부르며, 주파수 영역에서 일정한 간격의 주파수 라인들이 배치되는 특성은 최근 광주파수빗이라 불리는 형태에 해당한다. 펨토초 모드 잠금 레이저의 시간 및 주파수 영역에서의 잡음 특성에 대한 이론적인 연구를 통해 양자잡음 한계(quantum noise limit)에 도달했을 때 광 펄스의 타이밍 지터나 종모드들의 선폭 및 주파수 잡음이 매우 작을 수 있다는 예측이 있었음에도^[3,4] 이 특성은 오랜 기간 본격적으로 활용되지 못했다. 이는 당시 펌프 레이저의 기술적 잡음(technical noise)이나 안정성의 제한으로 인해 펨토초 레이저의 잡음 성능이 이론적으로 예측된 양자잡음 한계 성능에 근접하지 못했기 때문이다.

이러한 한계는 1990년대 다이오드 펌핑 고체 레이저(diode-pumped solid-state laser, DPSSL)의 발전과 상용화를 통하여 개선될 수 있었다. 특히 티타늄-사파이어 레이저는 Nd:YVO₄ 레이저와 이차조화파 생성(second-harmonic generation, SHG)을 이용한 532 nm 파장의 펌프 레이저가 본격적으로 개발되고 상용화되면서 티타늄 사파이어 펨토초 레이저의 성능뿐만 아니라 잡음 및 장기 안정도 성능도 빠르게 향상되었다. 한편 고체 레이저 외 어븀(erbium)이나 이터븀(ytterbium)으로 도핑된 광섬유를 이득 매질로 이용한 펨토초 광섬유 모드 잠금 레이저들도 1990년대부터 본격적으로 발전하며 광주파수빗 광원으로서 중요한 역할을 하고 있다. 특히 광섬유 레이저는 광통신 기술의 발전에 힘입어 광통신용 다이오드 레이저를 펌프 광원으로 사용하고, 광통신 부품들을 활용함으로써 저가이면서 고성능의 펨토초 레이저의 구현을 가능하게 했다. 이러한 펨토초 레이저의 발전은 광주파수빗 및 관련 응용 시스템을 구현하는 데 핵심적인 역할을 하고 있다.

2.2. 고안정 레이저를 이용한 광주파수 측정 및 비교

한편 초고속 광학 분야와는 별도로, 1960년대 후반부터 보다 정확하고 정밀한 시계를 구현하기 위한 연구개발이 본격적으로 시작되었다. 특히 1980년대부터는 수백 테라헤르츠(THz)에 해당하는 광주파수 영역에서 나타나는 원자나 이온의 광학 전이(optical transition)를 시간 기준으로 삼는 광원자시계(optical atomic clock)에 대한 연구가 활발히 이루어졌다. 광원자시계는 특정 원자나 이온에서 발생하는 광학 전이가 매우 정확하고 정밀한 주파수 레퍼런스(frequency reference)를 제공한다는 점에 기반을 두고 있다. 이는 기존의 마이크로파(9.2 GHz)를 기반으로 한 세슘 원자시계에 비해 동작 주파수가 10,000배 이상 높으므로 시간과 주파수의 정확도 및 안정도를 비약적으로 향상시킬 수 있다. 이때 광학 전이 주파수의 정확도를 향상시키기 위해 레이저 냉각 및 이온 트랩 기술이 활용되는데, 스트론튬(Sr), 이터븀(Yb), 알루미늄 이온(Al⁺) 등의 원자 및 이온에서 나타나는 특정한 광학 전이 현상을 안정적으로 측정할 수 있는 환경을 제공한다. 또한 광학 기술 측면에서는 고안정 레이저(ultra-stable laser)^[5]가 핵심적인 역할을 한다. 고안정 레이저는 고안정 공진기(ultra-stable optical cavity)와 결합하여 주파수 잠금된 상태에서 광학 전이 주파수를 정확히 측정하고, 매우 작은 선폭(linewidth)과 장기간의 안정성을 제공한다.

광원자시계의 구현 과정에서 기술적인 도전 과제는 현재의 시간 기준인 세슘 원자시계(9.2 GHz)와의 주파수 비교였다. 기존에는 이러한 주파수 비교를 위하여 다수의 고안정 레이저와 위상 잠금 루프(phase-locked loop, PLL)들, 그리고 마이크로파 발진기들을 이용한 매우 복잡한 시스템이 필요하였으며, 이를 사용하여도 하나의 광 주파수와 하나의 마이크로파 주파수 간의 비교만 가능하였다. 일례로 1996년 출판된 독일연방물리기술연구소(PTB)의 연구 결과^[6]에서는 456 THz의 칼슘 주파수 표준과 9.2 GHz 세슘 주파수 표준 간의 주파수 비교를 위하여 10대의 주파수 안정화된 레이저, 8대의 마이크로파·밀리미터파 발진기와 수소 메이저, 그리고 이들을 잇기 위한 다수의 PLL들과 위상·주파수 제어기 및 주파수 카운터들이 사용되었다. 이러한 한계를 해결하기 위해 한 대의 펨토초 모드 잠금 레이저를 사용하여 광주파수와 마이크로파 주파수를 비교할 수 있다는 아이디어가 1990년대 중반에 제시되었는데, 이를 통해 이전까지는 서로 독립적이었던 초고속 광학 분야와 주파수 측정 분야가 펨토초 레이저 기반의 광주파수빗을 통해 결합할 수 있는 계기가 마련되었다.

2.3. 광주파수빗을 이용한 광주파수와 마이크로파 주파수의 결맞음 연결

그림 1(a)는 펨토초 모드 잠금 레이저에서 발생하는 시간 영역의 광펄스 열과 주파수 영역의 광주파수빗 사이의 상호 관계를 보여준다. 수 펨토초에서 수백 펨토초 범위의 짧은 펄스폭은 광주파수 대역에서 수 THz에서 수십 THz에 이르는 넓은 스펙트럼을 가능하게 한다. 시간 영역에서 펄스와 펄스 간의 간격에 해당하는 펄스 주기(T_rep)는 주파수 영역에서 역수 관계를 가지며, 이는 종모드 간의 간격에 해당하는 반복률(repetition rate) 주파수인 f_rep = 1/T_rep에 해당한다. f_rep는 레이저의 공진기 길이에 의해 결정되며, 레이저 구조에 따라 수 MHz에서 수 GHz 수준의 마이크로파 주파수에 해당한다. 한편 레이저 내에서는 위상 속도(phase velocity)와 군 속도(group velocity)의 차이에 의해 펄스 간에 전기장의 위상 변화(∆f)가 발생하는데, 이 변화율에 해당하는 주파수가 캐리어-엔벨로프 오프셋 주파수(carrier-envelope offset frequency, f_ceo)이다. 주파수 영역에서 f_ceo는 모든 종모드에 공통적으로 적용되는 오프셋 주파수로 작용한다. 그 결과 각각의 종모드 주파수는 f_n = nf_rep + f_ceo (n = 자연수)라는 간단한 관계식으로 표현된다. 따라서 광주파수빗은 종모드가 위치하는 광주파수 영역과 반복률 및 캐리어-엔벨로프 오프셋 주파수가 존재하는 마이크로파 주파수 영역을 결맞음 연결(coherent linking)하는 역할을 할 수 있으며, 이는 마치 10,000 이상의 기어비(gear ratio)를 가지는 주파수 간의 정밀한 기어(gear)와 같은 역할을 수행할 수 있음을 의미한다. 이와 같은 광주파수빗의 성질은 일정한 간격으로 발생하는 광펄스열에 항상 적용되며, 모든 종류의 모드 잠금 레이저 출력은 광주파수빗을 생성한다고 볼 수 있다.

Figure 1. (a) Optical pulse train in the time domain and optical frequency comb in the frequency domain. (b) Detecting f_ceo using f-2f self-referencing with an octave-spanning optical frequency comb.

펨토초 모드 잠금 레이저의 오랜 역사에 비하여 광주파수빗의 활용은 비교적 최근에야 가능해진 주된 이유는 다음과 같다. 우선 앞서 언급되었듯이 펌프 레이저를 비롯한 레이저 기술의 잡음과 안정성 문제가 큰 한계점으로 작용하였으며, 기술적 잡음(technical noise)으로 인해 펨토초 모드 잠금 레이저는 진정한 양자잡음 한계 성능에 도달하지 못했기 때문이다. 이는 1990년대 이후 다양한 광학, 레이저, 전자제어 및 정밀 측정 기술의 발전으로 극복할 수 있었다. 또다른 문제로서 f_rep의 측정은 광다이오드를 통해 쉽게 가능한 반면 f_ceo는 직접 측정하기 어렵다는 점이 있다. 이를 해결하기 위해 그림 1(b)에 보여진 것과 같은 옥타브 대역(octave spanning)의 광주파수빗을 활용한 f-2f 자기참조(self-referencing) 기술이 제안되었다^[7]. 이는 옥타브에 걸친 광스펙트럼이 있다고 가정할 때, 저주파 성분(mf_rep+f_ceo)에서 이차조화파(2mf_rep+2f_ceo)를 생성한 후 고주파 성분(2mf_rep+f_ceo)과 간섭시켜 f_ceo를 추출하는 원리이다. 매우 간단한 아이디어지만, 펨토초 모드 잠금 레이저에서 직접 옥타브 대역의 스펙트럼을 생성하는 것은 기술적으로 어려운 과제였다. 이는 1999년 선보여진 마이크로구조 광섬유(microstructured fiber) 혹은 포토닉 크리스탈 광섬유(photonic crystal fiber)로 불리는 고비선형성 광섬유를 이용한 수퍼컨티늄(supercontinuum) 발생 기술^[8]을 이용하여 해결될 수 있었다. 이 기술을 통해 티타늄-사파이어 레이저 출력으로부터 옥타브 대역의 스펙트럼 발생이 가능해졌고, 2000년에는 미국 국립표준기술연구소(NIST)와 독일 막스플랑크-양자광학연구소(MPQ)에서 각각 f-2f 자기참조를 통한 f_ceo의 측정과 제어에 성공하였다^[9,10]. 이 기술은 곧바로 광원자시계나 아토초과학(attosecond science)을 비롯한 다양한 분야들에서 자기참조된 광주파수빗(self-referenced optical frequency comb)의 활용을 가능하게 했다. 이러한 광주파수빗을 활용한 주파수 분광학 분야의 업적이 학계에서 인정되어, 2005년 NIST의 John Hall과 MPQ의 Ted Hänsch에게 노벨 물리학상이 수여되기도 하였다^[7,11].

한 가지 덧붙이자면, 자기참조된 옥타브 대역 광주파수빗뿐만 아니라 자유발진(free running)하거나 마이크로파에 동기화된 광주파수빗 역시 다양한 응용이 가능하다. 반드시 차기참조된 옥타브 대역이 아니더라도, 모드 잠금 레이저나 마이크로 공진기 기반 광원에서 발생하는 출력도 포괄적 의미에서 광주파수빗이라고 불린다. 3장에서는 이러한 광주파수빗을 생성하는 대표적인 기술들에 대하여 살펴보기로 한다.

3.1. 모드 잠금 레이저

광주파수빗을 생성하는 가장 대표적인 기술로 앞서 2장에서 소개된 펨토초 모드 잠금 레이저[그림 2(a)]를 들 수 있다. 수동 모드 잠금 레이저(passively mode-locked laser)는 이득 대역폭(gain bandwidth)이 넓은 이득 매질을 사용하며, 포화 흡수체(saturable absorber)를 이용하여 시간 영역에서 극초단 펄스를 형성한다. 이때 반도체 포화흡수거울(semiconductor saturable absorber mirror, SESAM)^[12]과 같은 실제 물질의 포화 흡수 현상을 이용한 방식뿐만 아니라, 커-비선형성(Kerr nonlinearity)을 기반으로 한 커-렌징(Kerr lensing)^[13] 현상이나 비선형 편광회전(nonlinear polarization rotation, NPR)^[14] 현상 등을 사용해서 포화 흡수체 효과를 구현할 수 있다. 이와 함께 레이저 공진기 내에서의 군지연분산(group-delay dispersion, GDD)과 같은 선형 효과 및 자기위상변조(self-phase modulation, SPM)와 같은 비선형 효과를 활용하여 레이저 내에서의 다양한 펄스 동역학(pulse dynamics) 구현이 가능하다. 특히 공진기 내의 순분산(net dispersion)을 0에 가깝게 조절하는 방식은 광주파수빗의 잡음(세기 잡음, 주파수 잡음, 타이밍 지터)을 최소화하는 가장 효과적인 방법으로서 연구되었다^[15-17].

Figure 2. Structure and generation principle of (a) mode-locked laser, (b) micro-comb, and (c) electro-optic comb. GDD, group-delay dispersion; SPM, self-phase modulation; PM, phase modulator; IM, intensity modulator.

모드 잠금 레이저를 구현하는 가장 대표적인 방식으로는 고체 이득 크리스탈을 이용한 고체 레이저와 광섬유를 이득 매질로 사용하는 광섬유 레이저를 들 수 있다. 고체 레이저의 가장 대표적인 예로는 티타늄-사파이어 레이저를 들 수 있으며, 2000년대 초반에 레이저 공진기로부터 5펨토초 정도의 매우 짧은 펄스폭과 자기참조가 가능한 옥타브 대역 광주파수빗을 직접 생성할 수 있을 정도로 발전하였다^[18]. 특히 자기참조 기술을 활용하여 빛의 전기장 주기 1–2개 정도에 해당하는 짧은 펄스폭에서 캐리어-엔벨로프 위상(carrier-envelope phase, CEP)을 제어하는 기술이 개발되었는데, 이를 통해 고차조화파 생성(high-harmonic generation, HHG)을 이용하여 독립된 아토초(attosecond, 10⁻¹⁸초) 펄스를 생성하는 기술도 구현되었다^[19]. 이러한 기술은 광주파수빗 개발 과정에서 제시된 개념들과 상호작용하며 함께 발전해 왔다.

최근 들어 모드 잠금 광섬유 레이저를 이용한 광주파수빗의 생성과 응용이 더욱 활발해지고 있다^[20]. 광섬유 레이저는 고체 레이저에 비해 정렬 민감성(alignment sensitivity)이 낮고 장시간 안정적인 동작이 가능하며, 비교적 저가의 단순한 소형 시스템으로도 고출력, 넓은 스펙트럼과 저잡음의 광주파수빗을 생성할 수 있다는 장점을 가진다. 이러한 특성을 살려 고성능, 저잡음 광주파수빗의 구현에 커-비선형성을 활용한 광섬유 레이저들이 보다 활발히 개발되고 있으며, 대표적인 예시로 비선형 편광회전(NPR)이나 비선형 증폭루프거울(nonlinear amplifying loop mirror, NALM) 기반의 레이저들이 개발되었다. 특히 최근 NALM 기반 광섬유 레이저와 광주파수빗 광원^[21,22]에 대한 관심이 높아지고 있는 이유는 NPR과는 달리 편광유지(polarization-maintaining, PM) 광섬유를 사용하여 구현이 가능하기 때문이다. 이 방식은 짧은 펄스폭, 넓은 스펙트럼, 낮은 잡음과 같은 커-비선형성 기반 기술의 장점과 PM 광섬유의 장점인 장기간의 기계적 안정성을 동시에 가질 수 있어 주목받고 있다.

3.2. 마이크로 공진기 기반 커-광주파수빗(마이크로콤)

최근 Q-인자가 매우 높은 마이크로 공진기(microresonator) 기반의 커-광주파수빗(Kerr comb), 즉 마이크로콤(micro-comb)에 대한 연구개발이 활발하다. 마이크로콤[그림 2(b)]은 모드 잠금 레이저와 달리 연속파(continuous-wave, CW) 레이저를 마이크로 공진기에 인가했을 때, 공진기 내에서 연쇄적인 4광파 혼합(four-wave mixing, FWM) 과정을 통해 주파수빗을 생성하는 방식으로서 2007년 T. Kippenberg 연구팀에서 처음 개발되었다^[23]. 초기의 마이크로콤은 여러 주파수 성분을 생성하여 주파수 영역에서의 주파수빗 구조를 형성했지만, 모드 간 위상 잠금이 제대로 이루어지지 않아 생성된 신호의 잡음 특성이 나쁘다는 단점이 있었다. 2013년 동 연구팀에서 마이크로 공진기 내부에서 공진기 내 분산량(dispersion)과 커-비선형성 간의 균형이 맞을 때 시간 영역에서 솔리톤(soliton) 펄스가 형성될 수 있다는 것을 밝혀내었는데^[24], 이는 마이크로콤 분야의 급격한 성장을 이끄는 계기가 되었다. 더 나아가 2020년에는 양자잡음 한계에 가까운 타이밍 지터 성능을 가진 마이크로콤을 구현할 수 있다는 것이 알려졌다^[25].

마이크로콤의 가장 큰 장점은 비교적 낮은 출력의 CW 레이저를 마이크로 크기의 매우 작은 공진기에 인가하여 광주파수빗을 생성할 수 있다는 점이다. 이로 인해 마이크로콤은 소형화된 소자와 우수한 전력 효율을 갖게 되며, 기존의 모드 잠금 레이저 기반 광주파수빗에 비해 훨씬 더 작고 집적화된 형태로 구현할 수 있다. 또한 마이크로 크기의 공진기를 사용함으로써 수십 GHz에서 수 THz에 이르는 매우 높은 반복률 주파수를 제공한다. 이는 반복률이 수 MHz에서 수 GHz 수준인 모드 잠금 레이저와 비교했을 때 훨씬 높은 주파수로서, 광통신 등 높은 동작 주파수를 요구하는 응용분야에서 매우 적합하게 활용될 수 있다. 이와 같은 이유로 마이크로콤 분야는 세계적으로 많은 연구팀들에서 집중적으로 연구되며 빠르게 성장하고 있다. 특히 최근에는 패키징된 고효율 소자 형태로 구현할 수 있을 뿐만 아니라^[26], 라이다(LiDAR)^[27]나 광통신^[28]과 같은 다양한 응용 분야에서 활용되고 있어 향후 더욱 발전된 형태로 성장할 것이라 기대된다.

3.3. 전광 주파수빗

전광 주파수빗(electro-optic frequency comb, EO-comb)^[29]은 앞서 설명한 모드 잠금 레이저나 마이크로콤과는 달리, CW 레이저 출력을 마이크로파 신호로 구동되는 외부 전광변조(electro-optic modulation)를 통해 광주파수빗을 생성하는 기술이다. 통상적으로 여러 단의 전광 위상변조기(EO phase modulator)와 전광 세기변조기(EO intensity modulator)를 직렬로 연결하여 여러 사이드 모드(side-mode)들을 생성함으로써 광주파수빗을 생성할 수 있다. 전광 변조만을 이용할 경우 수 nm 대역폭의 스펙트럼을 생성할 수 있으며, 전광변조 후 고비선형 광섬유(highly nonlinear fiber, HNLF)를 활용하면 이를 수십 nm 이상의 대역폭으로 확장할 수 있다^[30]. 모드 잠금 레이저나 마이크로콤과 가장 차별화되는 EO-comb만의 특징은 변조기 구동만으로 주파수빗 구조를 쉽게 얻을 수 있다는 점이다. 또한 변조기를 구동하는 마이크로파 신호의 주파수를 조절함으로써 GHz 대역에서 반복률 주파수를 자유롭게 변경할 수 있으며, 평탄한(flat-top) 스펙트럼을 발생시킬 수 있다는 장점을 지닌다. 이러한 유연성과 간단한 구현 방식 때문에 EO-comb은 마이크로파 광학(microwave photonics) 응용 분야에서 주로 활용되고 있다.

2000년 자기참조된 광주파수빗이 처음 도입된 이래, 지난 25여년간 광주파수빗 광원은 다양한 분야에서 널리 활용되었다. 가장 대표적인 응용 분야로는 광원자시계^[31], 주파수 분광학^[32], 마이크로파 발생^[33], 레이더 및 라이다^[34], 천문 분광기 보정^[35] 등을 들 수 있다. 또한 광주파수빗은 우수한 타이밍 특성을 갖추고 있어, 이를 기반으로 한 초정밀 동기화, 클럭 분배 및 펄스 비행시간 측정을 통한 변위·거리 측정과 같은 응용도 가능하다. 이번 장에서는 저자가 수행한 광주파수빗을 활용한 초정밀 타이밍 및 동기화 관련 연구 중 가장 대표적인 결과들을 간략히 소개하고자 한다.

4.1. 초고속 과학 시설의 동기화

펨토초 및 아토초 수준의 고성능 타이밍 및 동기화(timing and synchronization)를 요구하는 가장 대표적인 응용으로 X-선 자유전자 레이저(X-ray free-electron laser, XFEL)와 초고속 전자회절(ultrafast electron diffraction, UED) 장치와 같은 초고속 과학(ultrafast science) 시설들을 들 수 있다. XFEL은 광전자 방출 레이저(photocathode laser)에서 발생한 전자 펄스를 선형가속기(linear accelerator)를 통해 빛의 속도에 가깝게 가속한 후, 언듈레이터(undulator)를 거쳐 전자 펄스를 요동시키는 방식으로 X-선 대역의 펄스를 생성하는 장치이다. 펨토초 수준 시간분해능과 나노미터 수준 공간분해능을 갖춘 X-선 펄스를 생성할 수 있어 다양한 초고속 현상들을 원자 수준 분해능으로 측정할 수 있다.

XFEL을 이용한 시분해 분광(time-resolved spectroscopy) 시 일반적으로 광학 레이저에서 발생하는 광 펄스를 펌프(pump)로, XFEL에서 발생하는 X-선 펄스를 프로브(probe)로 사용하는 방식을 채택하는데, 이때 광학 레이저 펄스와 X-선 펄스 간의 타이밍 지터(timing jitter)와 드리프트(drift)를 목표로 하는 시간 분해능보다 작게 유지하는 것이 중요하다. 이를 위해서는 XFEL 내부의 레이저 광원들과 선형가속기를 구동시키는 마이크로파 신호원들 사이에 펨토초 및 아토초 수준의 정밀하고 장기적으로 안정적인 동기화가 필요하다. 그러나 기존의 마이크로파 및 동축 케이블을 기반으로 한 동기화 시스템은 이러한 정밀도와 안정도를 달성하기 어렵다는 한계가 있었다. 이를 해결하기 위해 광주파수빗과 같은 광학 기술을 이용한 새로운 방식들이 제안되고 개발되었다. 그 결과 광섬유 모드 잠금 레이저 주파수빗을 마스터 클럭으로 사용하고, 타이밍 안정화된 광섬유 링크를 통하여 수 km의 원거리에 있는 다수의 레이저 및 마이크로파 신호원들을 10펨토초 수준으로 장기간 동기화하는 기술[그림 3(a)]을 개발하였으며^[36], 오늘날 이 기술은 전 세계 다수의 XFEL 시설들의 타이밍 및 동기화에 활용되고 있다^[37].

Figure 3. (a) Timing distribution and synchronization for X-ray free-electron laser using mode-locked fiber laser comb as the master oscillator. Adapted with permission from J. Kim and Y. Song, Adv. Opt. Photon. 2016; 8; 465-540. Copyright © 2016, Optical Society of America^[20]. (b) Photocathode laser-radio frequency (RF) master oscillator synchronization result at KAERI ultrafast electron diffraction facility. Reprinted from H. Yang et al. Sci. Rep. 2017; 7; 39966. Copyright © 2017, H. Yang et al.^[40].

보다 최근에는 UED의 타이밍 및 동기화에도 광주파수빗 기반 정밀 타이밍 기술들이 활용되고 있다. UED는 광전자 방출 레이저에서 발생한 초고속 전자 펄스를 사용하여 회절 패턴을 측정함으로써, 전자 수준의 공간 분해능과 펨토초 수준의 시간 분해능으로 초고속 현상을 측정할 수 있는 장치이다. UED 실험에서는 일반적으로 광학 레이저에서 발생하는 광 펄스를 펌프로, UED에서 생성된 전자 펄스를 프로브로 사용한다. 이 과정에서 광 펄스와 전자 펄스 간의 정밀한 타이밍과 동기화가 필수이며, 특히 전자 펄스의 타이밍을 결정하는 마이크로파 신호와 광 펄스 간의 정밀하고 장시간 안정적인 동기화가 중요하다. 이를 위하여 우리 연구팀에서는 자체개발한 광 펄스를 이용한 마이크로파 신호의 전광-샘플링(electro-optic sampling) 기법^[38]을 활용하였으며, 이는 다양한 UED 장치에서 성공적으로 적용되었다. 예를 들어 MPQ의 단일전자 초고속회절 실험에서 본 기법을 통해 전자펄스 압축을 위한 레이저-마이크로파 간 동기화를 구현한 바 있고^[39], 한국원자력연구원(KAERI)의 MeV급 UED 시스템 내 마이크로파 마스터 클럭과 광전자 방출 레이저 간의 펨토초 수준 동기화[그림 3(b)]^[40,41], THz파를 이용한 스트리킹(streaking) 및 피드백 제어 시스템^[42]에도 활용되고 있다.

4.2. 광전류 펄스를 이용한 반도체 칩의 클럭 분배 네트워크

펨토초 수준의 타이밍은 XFEL과 같은 거대과학시설뿐만 아니라 반도체 칩과 같은 첨단 산업에서도 그 중요성이 커지고 있다. 이는 최근 반도체 칩 성능이 비약적으로 향상되면서 칩 내부에서 보다 정밀하고 정확한 타이밍이 필요해졌기 때문이며, 그에 따라 칩 내부에서 고품질의 클럭(clock) 신호를 안정적으로 공급하는 기술이 중요한 과제가 되고 있다. 일반적으로 칩 내에서 전압 형태의 클럭 신호는 H-트리(H-tree)나 메쉬(mesh) 구조의 클럭 분배 네트워크(clock distribution network, CDN)를 통해 분배된다. 이 과정에서 클럭 신호는 인버터(inverter) 형태로 구성된 여러 단의 클럭 드라이버(clock driver)들을 거치면서 공정-전압-온도 변화(process-voltage-temperature variation, PVT variation)의 영향을 받게 된다. 이러한 요인들로 인해 무작위 타이밍 변동인 지터(jitter)와 공간적인 타이밍 오차인 스큐(skew)가 약 수–수십 피코초 정도의 크기로 발생하며, 그 이하로 줄이는 것에는 한계가 있다. 또한 클럭 분배 과정에서의 전력 소모 및 열 발생도 중요한 문제로 대두되고 있다.

이러한 문제를 해결하기 위해 우리 연구팀은 광주파수빗 광원을 마스터 클럭으로 사용하여 칩 전체에 저-지터, 저-스큐, 저발열 방식으로 클럭을 분배할 수 있는 새로운 광학적 방법을 개발했다^[43]. 이 방식은 이전에 티타늄-사파이어 레이저 출력을 4단 플립-플롭(flip-flop)에 인가하여 피코초 수준의 클럭 지터를 보인 선행 연구^[44]를 확장하여, 상용 CMOS 공정을 활용하여 설계, 제작된 칩 전체에 고품질 클럭을 효율적으로 분배하는 데 초점을 맞추고 있다. 그림 4(a)는 CMOS 칩 내 클럭 분배 실험의 개요도를 나타낸다. 펨토초 모드 잠금 레이저 주파수빗에서 발생하는 광 펄스열을 균형광검출기에 인가하여 광전류 펄스(photocurrent pulse)로 변환한 후, 칩 내의 금속 구조를 충전 및 방전함으로써 사각파 형태의 클럭 신호를 칩 전체에 생성할 수 있다. 이때 광 펄스가 광전류 펄스로 변환되는 시점에서 추가되는 타이밍 지터는 펨토초 이하 수준으로 매우 낮다는 것을 밝혔으며^[45], 금속 구조의 CDN이 클럭 드라이버 없이 동작하기 때문에 지터, 스큐 및 열 발생의 원인을 제거할 수 있다. 그림 4(b)는 광전류 펄스 및 이를 적분하여 발생한 클럭 신호의 파형 측정 결과를 나타낸다. 그림 4(c), 4(d) 및 4(e)는 각각 지터, 스큐 및 열발생 결과를 전자 방식의 CDN과 비교한 결과이며, 이로써 기존 방식으로 달성하기 어렵던 칩 내 펨토초 수준의 클럭 타이밍 및 동기화를 달성할 수 있었다.

Figure 4. (a) Schematic of frequency-comb-based on-chip clock distribution network. (b) Clock waveforms. (c) Jitter results. (d) Skew results. (e) Heat dissipation results. Reprinted from M. Hyun et al. Nat. Commun. 2023; 14; 2345. Copyright © 2023, M. Hyun et al.^[43].

4.3. 전광 샘플링을 이용한 펄스 비행시간 측정 및 이미징

앞서 살펴본 바와 같이 광주파수빗의 전광 샘플링 기법을 활용하면 광 신호와 마이크로파 신호 간의 펨토초 및 아토초 정밀도 동기화를 구현할 수 있다^[38]. 이 동기화 기술을 약간 다른 관점에서 활용하면 매우 정밀한 펄스 타이밍 및 비행시간(time-of-flight, TOF) 측정과 이를 이용한 변위, 거리 및 표면형상 측정에도 활용할 수 있다. 그림 5(a)는 우리 연구팀에서 구현한 광주파수빗 기반 TOF 측정 기술^[46]의 원리를 보여준다. 광 펄스와 광전류 펄스 간의 타이밍 지터는 수십 아토초 수준으로 낮다는 특성^[45]을 활용하여, 외부 요인으로 인한 펄스 타이밍 변화 시 광 펄스와 광전류 펄스 간의 위치 차이를 전광 샘플링을 이용하여 정밀하게 측정하는 방식이다. 이를 이용하면 MHz 이상의 빠른 측정 속도, 180 pm 수준의 높은 분해능 및 150 dB 이상의 넓은 동적범위(dynamic range)를 구현할 수 있다. 또한 표면형상 측정 속도를 보다 향상시키기 위해 라인 스캔(line-scan) 방식의 TOF 측정방법^[47]을 개발하여, 최대 260 megapixels/s의 스캔 속도로 3차원 반도체 구조물[그림 5(b)]이나 MEMS 기반 기계 공진기(mechanical resonator)의 진동[그림 5(c)] 특성을 초고속 측정하는 데 성공하였다. 이와 더불어, 마이크로파 위상검출 기술과의 융합을 통해 최대 169 dB의 동적범위와 MHz 수준의 고속 측정을 제공하는 절대거리(absolute distance) 측정 기술도 개발하였다^[48].

Figure 5. (a) Schematic of electro-optic-sampling-based time-of-flight detection. Reprinted from Y. Na et al. Nat. Photon. 2020; 14; 355-360. Copyright © 2020, Y. Na et al. under exclusive licence to Springer Nature Limited^[46]. (b) Surface profilometry of complicated periodic structure. (c) Flexural mode imaging of MEMS bridge device. (b) and (c) are reprinted from Y. Na et al. Light Sci. Appl. 2023; 12; 44. Copyright © 2023, Y. Na et al.^[47].

광주파수빗 기술은 초고속 광학과 주파수 측정 기술의 융합으로 탄생한 기술로, 광 주파수와 마이크로파 주파수 간의 결맞음 연결을 통해 시간·주파수 과학 및 기술의 지평을 크게 확장하였다. 본 논문에서는 광주파수빗의 역사적 배경과 이를 생성하는 다양한 광원 기술들을 살펴보고, 저자가 수행한 타이밍 및 동기화 응용을 중심으로 주요 연구 결과를 소개하였다. 현재 우리 연구팀은 광주파수빗을 활용하여 전파 천문(radio astronomy) 분야에서 동기화된 신호 발생 및 정밀 위상 보정, 저-지터 및 고반복률 광주파수빗을 이용한 아날로그-디지털 변환기(analog-to-digital converter)와 밀리미터파 신호 발생기 등 타이밍 및 동기화 관련 기술들의 지평을 확장하는 연구를 진행하고 있다. 향후 이 분야의 연구는 광주파수빗의 소형화, 저가화, 에너지 효율 향상 등을 위한 기술 개발이 더욱 중요해질 것이다. 또한 광주파수빗의 응용 가능성은 기존의 정밀 시간·주파수 응용을 넘어 센서, 이미징, 통신, 양자기술 등 더욱 다양한 분야로 확대될 것으로 기대된다.

저자는 본 연구와 저자됨, 논문 출판에 관련된 어떤 경제 지원도 받지 않았음을 공식적으로 밝힌다.

저자는 본 논문과 관련된 어떠한 이해충돌 사항도 없었음을 밝힌다.

저자는 본 연구에서 어떠한 데이터도 생성되거나 분석되지 않았음을 밝힌다.