원자력/우주항공

중국과학원, 신형 루비듐 원자시계의 획기적 연구진전

발행일 : 2013 / 01 / 08

중국과학원 왕위주(王育竹) 원사가 이끄는 신형 위성탑재 원자시계 과제팀은 최초로 자기 광학(Magneto-optical) 회전효과 기반의 직교 편광(orthogonal polarization) 탐사기술을 이용해 기포식 루비듐 원자시계의 이전신호를 연구하고, 90%의 초고명암비를 획득했다. 이에 따라 산탄 잡음을 억제하고, 시계이전 신호의 신호 대 잡음비와 원자시계 주파수의 안정성을 크게 향상시켰다. 이 성과는 국제 저널인 ‘옵틱스 레터스'(Optics Letters)에 발표되었다.

원자시계는 위성항법시스템(미국의 GPS와 중국의 북두시스템)의 핵심부품이다. 현재 국가마다 스펙트럼 램프로 펌핑한 루비듐 기포형 원자시계를 위성항법시스템의 위성 탑재 시계로 사용한다. 그러나 기존의 루비듐 기포형 원자시계는 연속 광학 펌핑 기술을 활용하기 때문에 광 주파수 변환 현상이 존재한다. 산탄 잡음의 영향이 원자시계의 중기 주파수 안정성 저하로 이어진다.

직교 편광 탐사기술을 적용한 펄스광 펌핑 루비듐 원자시계는 광 주파수 변환 제거가 가능해 주파수 안정성 지표를 수동 수소 원자시계보다 조금 높일 수 있다. 게다가 부피가 작고 무게가 가벼운 장점이 있으며, 차기 위성항법시스템의 이상적인 원자시계이다.

세계적으로 기포식 루비듐 원자시계의 이전신호는 모두 흡수법으로 탐사한다. 산탄 잡음의 제한으로 시계이전 신호의 명암비는 최고로 30%를 넘지 않는다. 직교 편광 탐사기술은 빛의 후면광원 필터링 탐사가 가능하기 때문에 산탄 잡음과 레이저 잡음을 억제하여 원자시계의 주파수 안정성을 대폭 향상시킬 수 있다.

전문가는 같은 여건에서 직교 편광 탐사기술을 활용해 얻은 알란 분산(Allan variance) 특성 구현 루비듐 원자시계의 주파수 안정성이 흡수법에 의한 탐사기술보다 한 자리수가 더 향상되었다고 밝혔다.