▲ E-band 메타표면 기반 OAM 통신 시스템 개념도 / 축외로 입사하는 두 개의 가우시안 빔이 메타표면에 의해 직교하는 다중 OAM 빔으로 변환되고, 이 빔은 다시 기존 메타표면을 180돌린 메타표면을 통과해 두 개의 축외 방향으로 역 다중화된다. 이 때 OAM 빔 중심에서 발생하는 신호차를 읽어내 OAM 모드를 판별할 수 있다.(자료제공=UNIST)   © 특허뉴스

UNIST 이종원 교수팀이 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.

이종원 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. 메타표면은 빛을 포함하는 전파의 특성을 조절할 수 있도록 설계된 물질로, 표면에 올려진 2차원 구조체의 모양과 배열 형태에 따라 조절할 수 있는 빛의 특성이 달라진다.

빛(전파)의 OAM이라는 물리량을 활용한 통신 기술은 주파수 자원을 효율적 쓸 수 있는 기술로 꼽힌다. 동일한 파장(주파수)안에서 위상이 꼬인 횟수(OAM 모드)에 따라 여러 개의 직교 신호를 만들 수 있기 때문에 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.

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.

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.

논문명은 E-band metasurface-based orbital angular momentum multiplexing and demultiplexing 이다.