UNIST 이종원 교수팀은 6G 통신 상용화를 앞당길 새로운 통신소자 기술을 개발했다. 자체 설계한 메타표면을 활용해 6G 통신용 차세대 전파자원인 궤도각운동량(orbital angular momentum, OAM) 신호를 만들고 빠르게 수신할 수도 있는 기술이다. 이 교수는 “메타표면이 OAM 신호 발생기와 수신기 역할을 동시에 수행토록 한 것으로 실험적으로도 검증을 끝내 OAM 기반 6G 통신 기술 상용화에 도움이 될 것”이라고 설명했다.
빛(전파)의 OAM이라는 물리량을 활용한 통신 기술은 주파수 자원을 효율적 쓸 수 있는 기술로 꼽히고 있다. 동일한 파장(주파수)안에서 위상이 꼬인 횟수(OAM 모드)에 따라 여러 개의 직교 신호를 만들 수 있기 때문이다. 이 덕분에 한 번에 전송 가능한 데이터양을 늘릴 수 있어 빠른 통신이 가능하다.
하지만 OAM은 빔 형태가 일반 통신에 활용되는 빔(가우시안 빔)과 달리 중심 빔 세기는 약하고 주변 동심원 영역의 세기는 강한 특징이 있다. 이 때문에 모드가 증가할수록 동심원이 넓게 퍼져 수신 안테나 크기가 커져야 하며, 실제 수신 안테나 들어온 여러 신호를 빨리 분리해 회수하기도 어렵다.
그림1. E-band 메타표면 기반 OAM 통신 시스템 개념도
연구팀은 자체 설계한 메타표면을 활용해 이러한 OAM 신호를 빠르게 판별할 수 있는 통신 소자 기술을 제안했다. 이 메타표면은 E-band 주파수 대역에서 2종류의 OAM 모드를 발생할 수 있으며, 빔을 원하는 방향으로 보내는 조향 기능, 빔 발산각을 줄일 수 있는 렌즈 특성이 있다.
특히 이 메타표면을 180도 뒤집으면 OAM 신호를 빠르게 분리해 회수할 수 있는 수신기로 쓸 수 있다. 기존에는 동심원 형태 OAM빔의 넓은 영역을 모두 스캔해야만 OAM 모드를 구분할 수 있었는데, 이 기술은 짧은 시간 안에 탐지기에 들어오는 신호의 유무만 알면 모드를 구분할 수 있다. 신호 처리 시간이 더 짧아지는 것이다.
그림2. OAM 다중화 및 역다중화의 시뮬레이션과 실험 검증 결과
이종원 교수는 “최소한의 탐지기를 이용하여 메타표면 기반의 OAM 모드를 빠르게 판별할 수 있는 가장 현실적인 방법을 이번 연구로 제시했다”며 “메타표면에 OAM 모드를 추가함으로써 6G 통신의 채널 용량을 획기적으로 증가시킬 수 있을 것”이라고 기대했다.
한편, 개발한 메타표면의 기존의 OAM을 발생시킬 수 있는 나선형 위상판(spirla phase plate SPP)과 비교해 두께가 얇아 경량화가 가능하며 별도의 빔 통합기가 필요 없어 통신 시스템을 단순화할 수 있다는 장점도 있다.
이번 연구결과는 와일리(Wiley)에서 출판하는 세계적인 학술지인 레이저 & 포토닉스 리뷰(Laser & Photonics reviews)에 3월 17일 자로 온라인 공개됐다. 연구 수행은 삼성미래기술육성사업의 지원을 받아 이뤄졌다.