광학 센서, 통신 등에 활용할 수 있는 마이크로공진기

고정밀 분광기는 화학물질 및 생물학적 물질을 검출하는데 사용된다.
고정밀 분광기의 광학 센서를 소형화 하고 매우 안정적인 마이크로웨이브 발생장치와 더 나은 품질로 다량의 정보를 전송하는 광학 통신 시스템을 개발하는데 새로운 기술이 소개되었다.

이 기술은 ‘Comb lines’라고 불리는 일정한 간격의 다수의 주파수를 포함하는 레이저 펄스를 신뢰성 있게 생성하고 조절하는 것을 바탕으로 하고 있다. 주파수 빗(Frequency combs)을 정교하게 조절함으로써, 연구팀은 링 형태의 마이크로공진기(Microresonator)를 사용하는 소형 광학기기를 제작하고자 하였다.
퍼듀대학(Purdue University) 연구팀은 프로토타입을 제작하였으며, 이 연구결과는 Nature Photonics지에 온라인으로 게재되었다. Laser and Photonics Reviews지에 게재된 다른 연구와 더불어, 본 연구는 ‘Dark pulses’라고 불리는 광학적 현상을 상세히 분석하고 있으며, 주파수 빗을 정교하게 조절하는 방법을 소개하고 있다.

기존 기술과의 차이점
기존의 광학 통신에서는 다양한 주파수를 전송하기 위해 많은 수의 레이저를 필요로 한 반면, 본 연구에서 개발된 새로운 기기는 오직 하나의 광원만을 사용하여 다양한 파장의 빛을 방출하도록 빛을 변형시키는 방법을 사용하고 있다. 전기 및 컴퓨터공학과 부교수인 Minghao Qi에 따르면, 이런 혁신적인 기법은 원가를 절감하고 전자 칩에 적합할 만큼 크기가 작은 광학 시스템 제작을 가능하게 할 것으로 기대되고 있다고 한다.
만약 40개 채널과 40개의 개별 레이저를 가지고 있다면, 단일 통신용 칩 상에서 각각의 개별적인 통제용 회로를 구축하므로 비용이 높아진다. 또한 레이저 중 하나라도 고장이 나면, 전체 칩을 교체해야만 한다. 따라서, 서로 다른 채널을 구동시키기 위한 다양한 파장을 만들어 내는데 하나의 레이저만을 사용할 수 있다면 원가절감에 큰 효과가 있을 것이다.

마이크로공진기 광학적인 비선형 상호작용 효과 개선
마이크로공진기는 광파워(Optical power)를 축적하며, 다수의 주파수를 생성할 수 있도록 해 주는 광학적인 비선형 상호작용(Optical nonlinear interaction)의 약한 효과를 개선할 수 있다. 링 형태의 기기는 지름이 약 100마이크로미터이며, 전자산업에서 널리 사용되고 있는 실리콘 재료와 호환성 있는 재료인 질화규소(Silicon nitride)를 이용해 제작된다.
연구팀은 이전에 거울, 렌즈 및 다른 광학적 부품을 사용하는 ‘벌크 광학(Bulk optics)’을 개발한 바 있으며, 이 부품들은 수 피트 길이의 진동감쇄 테이블에 배열되어 펄스 신호를 변환하고 전달하는 역할을 하였다. 그러나 이런 시스템은 실용화하기에는 크기가 너무 크기 때문에, 연구팀은 이 기술을 소형화하여 컴퓨터 칩에 사용할 수 있을 정도로 충분히 작은 마이크로공진기를 제작하고자 하였다. 그러나 기기를 소형화하는 것이 어려운 이유는, 비정상 분산이라고 불리는 광섬유의 특성을 유지하기가 어렵기 때문이다.
질화규소 마이크로공진기에서의 비정상 분산을 달성하기 위해서는 매우 두꺼운 필름이 필요하며, 이 필름은 쉽게 균열이 발생하여 제조가 쉽지 않은 문제점이 있다. 연구팀은 비정상 분산 없이 빗(Comb)을 생성하는 방법을 소개함으로써, 더 이상 두꺼운 필름을 사용할 필요가 없도록 하였다.
Dark pulse는 빛이 통과할 수 있도록 보통은 열려 있지만 빛을 빠르게 차단할 수 있는 셔터와 같은 역할을 한다. 모든 과정이 일어나는 시간은 단지 1∼2피코초(Picosecond)에 불과하며, 이것은 현재 가용한 가장 빠른 컴퓨터 마이크로프로세서의 스위칭 속도보다 거의 100배나 빠른 속도이다.

마이크로공진기의 응용영역
이 기술은 화학물질을 검출하거나 측정하는 광학 센서, 연구를 위한 초정밀 분광기 및 저렴하면서도 고품질로 다량의 정보를 전송할 수 있는 광학 통신시스템을 소형화할 수 있다. 마이크로공진기는 광통신에서 필요로 하는 근적외선 영역뿐만 아니라 화학 및 생물학적 감지를 위해 필요한 가시광선 및 중적외선 영역의 빛에서도 사용할 수 있다.
또 다른 잠재적 응용분야로 컴퓨터를 위한 광학시계이다. 컴퓨터에서 광학시계는 마이크로프로세서 칩에서 트랜지스터의 작동을 동기화하는데 이용된다. 시계의 신호분포에 이용하여 컴퓨터 칩 및 전자통신 시스템의 성능을 향상시키는데 도움이 될 것이다.
또한 본 기술은 포토닉스 기반의 마이크로파 신호의 가공에도 활용될 수 있다. 특히 기존의 순수한 전자적인 기법을 이용해서는 가공하기 어려운 넓은 대역에도 사용될 수 있다.

자료제공 | KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』

하나의 카메라로 실현하는 자율 주행 자동차

비전 알고리즘이 발달함에 따라 단지 하나의 카메라로 자동차가 자율 주행하는 것이 가능하게 되었다.

자동차 제조업체에 부품을 공급하는 마그나(Magna)라는 기업이 최근에 자동차의 앞창에 내장된 하나의 카메라만을 이용하여 최소한 고속도로에서 자동차를 자율 주행하도록 만들 수 있다고 보고했다.
마그나는 이 기술이 자동차 제조업체에게 얼마의 비용을 들게 한 것인가에 대하여 밝히지 않았지만 차량용 카메라 시스템은 수천 달러보다는 수백 달러가 소요되는 경향이 있다. 이러한 뛰어난 능력은 카메라 영상을 해석하는데 사용되는 소프트웨어 부문에서의 급속한 발전에 기인한다. 이 소프트웨어는 이스라엘 기업인 모빌아이(MobileEye)가 만든 것이다.
마그나의 제어 알고리즘 부문 수석 공학자인 나다니엘 존슨(Nathaniel Johnson)은 이 기술이 탑재된 캐딜락(Cadillac)으로 시연하였다. 그는 “자동차는 많은 상황에서 스스로 주행할 수 있다. 여기에는 다양한 이미지 처리 기술이 사용된다”고 설명했다.
자동차의 계기판 상에 있는 디스플레이 화면은 모빌아이의 소프트웨어에 의하여 처리되고 있는 동영상을 보여 주었다. 차로는 녹색으로 강조되었으며, 전방에 있는 차량에는 차간 거리를 나타내는 숫자와 함께 녹색의 사각형이 그려졌다. 또한, 그는 “이 소프트웨어는 교통 신호를 즉각적으로 인식하였으며, 자율 주행 시스템은 교통 표지가 나타내는 속도를 준수하도록 설정될 수 있다”고 설명하였다.
인간 운전자는 수 초 동안 운전대를 잡을 수 있고, 그 후 손을 놓아서 자율 주행 시스템이 다시 제어권을 획득하도록 만들 수 있다. 마그나는 지난 1년 동안 미국, 독일, 영국, 그리고 가장 최근에 중국에서 이 기술을 시험하고 있다.
오늘날 적응형 순항 제어(Adaptive cruise control), 자동 평행 주차(Hands-free parallel parking) 등과 같은 자율 주행 특징들은 단지 고급 자동차에만 적용되고 있다.
자료제공 | KISTI 미리안 『글로벌동향브리핑』