새로운 유형의 테라헤르츠 멀티플렉서는 데이터 용량을 두 배로 늘리고 전례 없는 대역폭과 낮은 데이터 손실률로 6G 통신을 크게 향상시켰습니다.
연구진은 데이터 용량을 두 배로 늘리고 6G 및 그 이후 세대에 혁신적인 발전을 가져올 초광대역 테라헤르츠 멀티플렉서를 개발했습니다. (이미지 출처: Getty Images)
테라헤르츠 기술로 대표되는 차세대 무선 통신은 데이터 전송에 혁명을 일으킬 것으로 기대된다.
이러한 시스템은 테라헤르츠 주파수 대역에서 작동하여 초고속 데이터 전송 및 통신을 위한 탁월한 대역폭을 제공합니다. 그러나 이러한 잠재력을 완전히 실현하기 위해서는 특히 사용 가능한 주파수 대역을 관리하고 효율적으로 활용하는 데 있어 상당한 기술적 과제를 극복해야 합니다.
획기적인 발전으로 이 문제가 해결되었습니다. 기판이 없는 실리콘 플랫폼에서 구현된 최초의 초광대역 통합 테라헤르츠 편광 (디)멀티플렉서가 바로 그것입니다.
이 혁신적인 설계는 테라헤르츠 이하 대역의 J 밴드(220~330GHz)를 겨냥하여 6G 및 그 이후 시대의 통신을 혁신하고자 합니다. 이 장치는 데이터 손실률을 낮추면서 데이터 용량을 효과적으로 두 배로 늘려 효율적이고 안정적인 고속 무선 네트워크의 기반을 마련합니다.
이번 성과 달성에는 애들레이드 대학교 전기기계공학과 위타왓 위타야춤난쿨 교수, 현재 오사카 대학교 박사후 연구원인 가오 웨이지에 박사, 그리고 후지타 마사유키 교수가 참여했습니다.
위타야춤난쿨 교수는 "제안된 편광 다중화기는 동일한 주파수 대역 내에서 여러 데이터 스트림을 동시에 전송할 수 있게 하여 데이터 용량을 효과적으로 두 배로 늘릴 수 있다"고 밝혔습니다. 이 장치가 달성한 상대 대역폭은 모든 주파수 범위에서 전례 없는 수준으로, 통합 다중화기 분야에서 상당한 도약을 의미합니다.
편광 다중화기는 여러 신호가 동일한 주파수 대역을 공유할 수 있도록 하여 채널 용량을 크게 향상시키기 때문에 현대 통신에 필수적입니다.
이 새로운 장치는 원뿔형 방향성 결합기와 이방성 유효 매질 클래딩을 활용하여 이를 구현합니다. 이러한 구성 요소는 편광 복굴절을 향상시켜 높은 편광 소멸비(PER)와 넓은 대역폭을 제공하는데, 이는 효율적인 테라헤르츠 통신 시스템의 핵심 특성입니다.
복잡하고 주파수에 따라 달라지는 비대칭 도파관에 의존하는 기존 설계와 달리, 새로운 멀티플렉서는 주파수 의존성이 미미한 이방성 클래딩을 사용합니다. 이러한 접근 방식은 원뿔형 커플러가 제공하는 풍부한 대역폭을 최대한 활용합니다.
그 결과, 약 40%의 대역폭, 20dB를 초과하는 평균 PER, 그리고 약 1dB의 최소 삽입 손실을 달성했습니다. 이러한 성능 지표는 좁은 대역폭과 높은 손실 문제를 안고 있는 기존 광학 및 마이크로파 설계의 성능을 훨씬 능가합니다.
연구팀의 이번 연구는 테라헤르츠 시스템의 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라 무선 통신의 새로운 시대를 여는 토대를 마련했습니다. 가오 박사는 "이번 혁신은 테라헤르츠 통신의 잠재력을 실현하는 데 핵심적인 역할을 할 것"이라고 강조했습니다. 응용 분야로는 고화질 비디오 스트리밍, 증강 현실, 그리고 6G와 같은 차세대 이동통신망 등이 있습니다.
직사각형 금속 도파관을 기반으로 하는 직교 모드 변환기(OMT)와 같은 기존 테라헤르츠 편광 관리 솔루션은 상당한 한계에 직면해 있습니다. 금속 도파관은 고주파수에서 저항 손실이 증가하고, 엄격한 기하학적 요구 사항으로 인해 제조 공정이 복잡합니다.
마흐-젠더 간섭계나 광자 결정을 사용하는 광학 편광 다중화기는 더 나은 집적성과 낮은 손실을 제공하지만 대역폭, 소형화 및 제조 복잡성 간에 절충이 필요한 경우가 많습니다.
방향성 커플러는 광학 시스템에 널리 사용되며, 소형화 및 높은 PER(편광 효율)을 달성하기 위해 강한 편광 복굴절이 필요합니다. 그러나 방향성 커플러는 좁은 대역폭과 제조 공차에 대한 민감성이라는 한계를 가지고 있습니다.
새로운 멀티플렉서는 원뿔형 방향성 커플러와 효과적인 매질 클래딩의 장점을 결합하여 이러한 한계를 극복합니다. 이방성 클래딩은 상당한 복굴절 특성을 보여 넓은 대역폭에 걸쳐 높은 PER(Periodic Electron Rate)을 보장합니다. 이러한 설계 원칙은 기존 방식에서 벗어나 테라헤르츠 집적화를 위한 확장 가능하고 실용적인 솔루션을 제공합니다.
멀티플렉서의 실험적 검증 결과 탁월한 성능이 확인되었습니다. 이 장치는 225~330GHz 대역에서 효율적으로 작동하며, 20dB 이상의 PER을 유지하면서 37.8%의 대역폭을 달성합니다. 또한, 소형 크기와 표준 제조 공정과의 호환성 덕분에 대량 생산에 적합합니다.
가오 박사는 "이 혁신은 테라헤르츠 통신 시스템의 효율성을 향상시킬 뿐만 아니라 더욱 강력하고 안정적인 고속 무선 네트워크의 길을 열어줍니다."라고 말했습니다.
이 기술의 잠재적 응용 분야는 통신 시스템을 넘어섭니다. 멀티플렉서는 스펙트럼 활용도를 향상시켜 레이더, 영상 처리, 사물 인터넷과 같은 분야의 발전을 이끌 수 있습니다. 위타야춤난쿨 교수는 "향후 10년 안에 이러한 테라헤르츠 기술이 다양한 산업 분야에 널리 채택되고 통합될 것으로 기대한다"고 밝혔습니다.
이 멀티플렉서는 연구팀이 개발한 기존 빔포밍 장치와도 원활하게 통합되어, 단일 플랫폼에서 고급 통신 기능을 구현할 수 있습니다. 이러한 호환성은 효과적인 중간 클래드 유전체 도파관 플랫폼의 다용성과 확장성을 잘 보여줍니다.
연구팀의 연구 결과는 학술지 Laser & Photonic Reviews에 게재되어 광자 테라헤르츠 기술 발전에 중요한 의미를 지니게 되었습니다. 후지타 교수는 "이번 혁신은 핵심적인 기술적 장벽을 극복함으로써 해당 분야의 관심과 연구 활동을 촉진할 것으로 기대한다"고 밝혔습니다.
연구진은 자신들의 연구가 향후 몇 년 동안 새로운 응용 분야와 추가적인 기술 발전을 촉발하고, 궁극적으로 상용 시제품 및 제품으로 이어질 것으로 기대하고 있습니다.
이 멀티플렉서는 테라헤르츠 통신의 잠재력을 실현하는 데 있어 중요한 진전을 의미합니다. 전례 없는 성능 지표를 통해 통합 테라헤르츠 장치의 새로운 기준을 제시합니다.
고속, 대용량 통신 네트워크에 대한 수요가 지속적으로 증가함에 따라 이러한 혁신은 무선 기술의 미래를 형성하는 데 중요한 역할을 할 것입니다.
게시 시간: 2024년 12월 16일