KR101904982B1 - 광 통신 단말 - Google Patents

Abstract

광 통신 단말은 전이중 통신의 2개의 상이한 상보적 모드에서 동작하도록 구성된다. 하나의 모드에서, 단말은 공통의 자유 공간 광 경로를 따라 제1 파장을 가지는 광을 전송하고 제2 파장을 가지는 광을 수신한다. 다른 모드에서, 단말은 제2 파장을 가지는 광을 전송하고 제1 파장을 가지는 광을 수신한다. 단말은 파장에 따라 상이한 광 경로들을 생성하는 이색성 요소로의 그리고 그로부터의 광을 지향시키는 조향 거울을 포함하고, 또한 2개의 파장에 대한 공간적으로 분리된 방출기들 및 검출기들을 포함한다. 제1 상보적 방출기/검출기 쌍은 하나의 모드에서 사용되고, 제2 쌍은 다른 모드에 대해 사용된다. 조향 거울의 배향을 조절하는 것이 제1 상보적 쌍 또는 제2 상보적 쌍 중 어느 하나를 사용한 주어진 자유 공간 광 링크를 통한 통신에 맞춰 단말을 정렬시키도록 광학 컴포넌트들이 배열된다.

Description

광 통신 단말{OPTICAL COMMUNICATION TERMINAL}

본원에서 달리 언급되지 않는 한, 이 섹션에 기술되는 내용이 본 출원에서의 청구범위에 대한 종래 기술이 아니고 이 섹션에 포함되는 것에 의해 종래 기술이라고 인정되지 않는다.

개인용 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 태블릿 컴퓨터, 셀룰러 폰, 및 무수한 유형의 인터넷 가능 디바이스와 같은 컴퓨팅 디바이스가 현대 생활의 많은 측면들에서 점점 더 보급되고 있다. 그에 따라, 인터넷, 셀룰러 데이터 네트워크, 및 다른 이러한 네트워크를 통한 데이터 연결의 요구가 증가하고 있다. 그렇지만, 데이터 연결이 여전히 이용가능하지 않은 또는, 이용가능하더라도, 신뢰할 수 없고 그리고/또는 고비용인 세상의 많은 지역이 있다.

변조된 레이저 광을 송신하고 수신하는 각자의 통신 단말들 간에 자유 공간 광 통신 링크가 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1 단말은 출력 데이터에 따라 변조되는 레이저 광을 발생시키고 레이저 광을 제2 단말로 전송할 수 있으며, 제2 단말에서는 데이터를 복구하기 위해 레이저 광이 검출되고 복조된다. 이와 유사하게, 제2 단말도 데이터에 따라 변조되는 레이저 광을 발생시키고 레이저 광을 제1 단말로 전송할 수 있으며, 제2 단말에서는 레이저 광이 검출되고 복조된다.

데이터가 단일의 단말을 사용하여 동시에 송신되고 수신될 수 있는 전이중 통신을 지원하기 위해, 구성은 제1 파장을 사용하여 데이터를 전송하고 제2 파장을 사용하여 데이터를 수신할 수 있다. 통신 단말은 그러면 단말의 주 개구(primary aperture)로부터의 광 경로에 이색성 빔 분할기(dichroic beam splitter)를 포함할 수 있다. 이색성 빔 분할기는 파장들 중 하나는 통과시키고 다른 것을 반사시킬 수 있고 그로써 단일의 주 개구를 공유하면서 2개의 상이한 파장으로 송신/수신되는 광을 분리시킬 수 있다. 예를 들면, 제1 단말은 파장 1로 전송하고 파장 2로 수신하도록 구성될 수 있다. 이색성 빔 분할기가 파장 1은 통과시키고 파장 2는 반사시킬 수 있다. 파장 1로 방출하도록 구성된 레이저 광원은 이색성 빔 분할기를 통과하는 광을 주 개구 쪽으로 방출하도록 위치될 수 있다. 파장 2로 검출하도록 구성된 광 검출기는 주 개구를 통해 수신된 후에 이색성 빔 분할기에 의해 반사되는 광을 수신하도록 위치될 수 있다. 이와 유사하게, 제2 통신 단말은 파장 2로 전송하고 파장 1로 수신하도록 구성될 수 있다. 적당한 레이저 광원 및 광 검출기가 제2 단말의 단일 주 개구로의/로부터의 광을 지향시키도록 이색성 빔 분할기에 대해 배열될 수 있다. 그에 따라, 제1 통신 단말과 제2 통신 단말은 변조된 레이저 빔을 2개의 상이한 파장으로 송신하고 수신하는 것에 의해 데이터를 어느 한 방향으로 동시에 전달할 수 있다.

공간적으로 분리된 단말들 간의 정렬을 보장하기 위해, 각각의 단말은 일반적으로 각자의 송신/수신 개구로의 그리고 그로부터의 레이저 광을 각각의 단말에 있는 다양한 레이저 광원들 및 광 검출기들로 지향시키는 하나 이상의 조절가능한 빔 조향 거울(beam steering mirror)들을 포함한다. 빔 조향 거울(들)의 배향을 조절하는 것은 이어서 다양한 레이저 광원(들) 및 광 검출기(들)를 주 개구에 결합시키는 광 경로(들)에서의 다양한 초점들의 위치를 조절할 수 있다. 피드백 시스템은 또한 (예컨대, 다른 단말로부터) 들어오는 레이저 광의 도달각(angle of arrival)을 검출하고 결정된 각도를 전송되는 레이저 광을 (예컨대, 다른 단말기로) 지향시키기 위한 피드백으로서 사용하는 데 사용될 수 있다. 주 개구와 다양한 레이저 광원(들) 및/또는 광 검출기(들) 사이의 광 경로는 그에 부가하여 필요에 따라 각종의 필터, 거울, 렌즈, 개구, 및 다른 광 전송 컴포넌트를 포함할 수 있다.

예시적인 실시예는 공중 통신 네트워크(aerial communication network)에서의 풍선들의 네트워크(network of balloons)에 관한 것이다. 풍선들은 전원, 데이터 저장소, 및 정보를 풍선 네트워크의 다른 구성원들로 그리고/또는 지상에 위치된 무선 스테이션들로 무선으로 전달하기 위한 하나 이상의 송수신기들을 갖는 페이로드(payload)를 지지하는 엔벨로프(envelope)로 형성될 수 있다. 풍선들은 자유 공간 광 링크를 통해 서로 통신할 수 있고, 전이중 통신의 2개의 상이한 상보적 모드에서 동작하도록 구성될 수 있는 광 통신 단말을 포함할 수 있다. 하나의 모드에서, 단말은 공통의 자유 공간 광 경로를 따라 제1 파장을 가지는 광을 전송하고 제2 파장을 가지는 광을 수신한다. 다른 모드에서, 단말은 제2 파장을 가지는 광을 전송하고 제1 파장을 가지는 광을 수신한다. 이와 같이, 2개의 상이한 풍선에 있는 상보적 모드에서 동작하는 2개의 이러한 단말은 2개의 풍선이 양 방향으로 동시에 데이터를 통신할 수 있게 한다. 메시 네트워크를 생성하기 위해 임의의 풍선들 사이에 이러한 광 링크를 형성하기 위해, 단말은 자유 공간 광 경로를 단말에 있는 모드 특정(mode-specific) 광 방출기들 및 검출기들과 정렬시키기 위해 조향 거울의 배향을 조절함으로써 2개의 모드 사이에서 동적으로 전환하도록 구성될 수 있다.

예를 들면, 단말은 파장에 따라 구분된 경로(differentiated path)를 생성하는 이색성 요소로의 그리고 그로부터의 광을 지향시키는 조향 거울을 포함할 수 있고, 또한 2개의 파장에 대한 공간적으로 분리된 방출기들 및 검출기들을 포함한다. 제1 상보적 방출기/검출기 쌍은 하나의 모드에서 사용되고, 제2 쌍은 다른 모드에 대해 사용된다. 조향 거울의 배향을 조절하는 것이 제1 상보적 쌍 또는 제2 상보적 쌍 중 어느 하나를 사용한 주어진 자유 공간 광 링크를 통한 통신에 맞춰 단말을 정렬시키도록 광학 컴포넌트들이 배열된다.

본 개시 내용의 일부 실시예는 광 통신 단말을 제공한다. 광 통신은 빔 분할기, 하나 이상의 광원들, 하나 이상의 검출기들, 및 조향 거울을 포함할 수 있다. 빔 분할기는 제1 파장의 광을 투과시키고 제2 파장의 광을 반사시키도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 광원들은 제1 파장의 광을 제1 방출 위치로부터 방출하고 제2 파장의 광을 제2 방출 위치로부터 방출하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 검출기들은 제1 파장의 광을, 제1 검출 위치에서, 검출하고 제2 파장의 광을, 제2 검출 위치에서, 검출하도록 구성될 수 있다. 조향 거울과 빔 분할기는, 조향 거울이 제1 배향을 가지는 동안, (i) 제1 방출 위치로부터 방출되는 제1 파장의 광이 전송을 위해 원격 단말 쪽으로 지향되고, (ii) 원격 단말로부터 수신되는 제2 파장의 광이 제2 검출 위치 쪽으로 지향되도록 배열될 수 있다. 조향 거울과 이색성 빔 분할기는 추가로, 조향 거울이 제2 배향을 가지는 동안, (i) 제2 방출 위치로부터 방출되는 제2 파장의 광이 전송을 위해 원격 단말 쪽으로 지향되고, (ii) 원격 단말로부터 수신되는 제1 파장의 광이 제1 검출 위치 쪽으로 지향되도록 배열될 수 있다.

본 개시 내용의 일부 실시예는 고고도 플랫폼(high altitude platform)을 제공한다. 고고도 플랫폼은 엔벨로프, 엔벨로프에 매달리도록 구성된 페이로드; 및 페이로드에 탑재된 광 통신 단말을 포함할 수 있다. 광 통신 단말은 (i) 제1 파장의 광을 투과시키고 제2 파장의 광을 반사시키도록 구성된 빔 분할기; (ii) 제1 파장의 광을 제1 방출 위치로부터 방출하고 제2 파장의 광을 제2 방출 위치로부터 방출하도록 구성된 하나 이상의 광원들; (iii) 제1 파장의 광을, 제1 검출 위치에서, 검출하고 제2 파장의 광을, 제2 검출 위치에서, 검출하도록 구성된 하나 이상의 검출기들; 및 (iv) 조향 거울을 포함할 수 있다. 조향 거울과 빔 분할기는, 조향 거울이 제1 배향을 가지는 동안, (i) 제1 방출 위치로부터 방출되는 제1 파장의 광이 전송을 위해 원격 단말 쪽으로 지향되고, (ii) 원격 단말로부터 수신되는 제2 파장의 광이 제2 검출 위치 쪽으로 지향되도록 배열될 수 있다. 조향 거울과 빔 분할기는 추가로, 조향 거울이 제2 배향을 가지는 동안, (i) 제2 방출 위치로부터 방출되는 제2 파장의 광이 전송을 위해 원격 단말 쪽으로 지향되고, (ii) 원격 단말로부터 수신되는 제1 파장의 광이 제1 검출 위치 쪽으로 지향되도록 배열될 수 있다.

본 개시 내용의 일부 실시예는 방법을 제공한다. 본 방법은 (i) 제1 방출 위치로부터 방출되는 제1 파장의 광을 전송을 위해 원격 단말 쪽으로 지향시키고, (ii) 원격 단말로부터 수신되는 제2 파장의 입사 광을 제2 검출 위치 쪽으로 지향시키기 위해 조향 거울을 배향시키는 것을 포함할 수 있다. 본 방법은 (i) 출력 데이터에 기초하여 변조되는 제1 파장의 광을 제1 방출 위치로부터 방출하는 것, 및 (ii) 제2 검출 위치에서 검출되는 제2 파장의 광에 기초하여 입력 데이터를 추출하는 것에 의해 제1 모드에서 전이중 통신을 수행하는 것을 포함할 수 있다. 본 방법은 제2 모드에서 전이중 통신을 수행하는 것으로 전환하기로 결정을 하는 것을 포함할 수 있다. 본 방법은, 그 결정을 한 것에 응답하여, (i) 제2 방출 위치로부터 방출되는 제2 파장의 광을 전송을 위해 주어진 방향 쪽으로 지향시키고, (ii) 주어진 방향으로부터 수신되는 제1 파장의 입사 광을 제1 검출 위치 쪽으로 지향시키기 위해 조향 거울을 배향시키는 것을 포함할 수 있다. 본 방법은 (i) 출력 데이터에 기초하여 변조되는 제2 파장의 광을 제2 방출 위치로부터 방출하는 것, 및 (ii) 제1 검출 위치에서 검출되는 제1 파장의 광에 기초하여 입력 데이터를 추출하는 것에 의해 제2 모드에서 전이중 통신을 수행하는 것을 포함할 수 있다.

본 개시 내용의 일부 실시예는 (i) 제1 방출 위치로부터 방출되는 제1 파장의 광을 전송을 위해 원격 단말 쪽으로 지향시키고, (ii) 원격 단말로부터 수신되는 제2 파장의 입사 광을 제2 검출 위치 쪽으로 지향시키기 위해 조향 거울을 배향시키는 수단을 제공한다. 본 개시 내용의 일부 실시예는 (i) 출력 데이터에 기초하여 변조되는 제1 파장의 광을 제1 방출 위치로부터 방출하는 것, 및 (ii) 제2 검출 위치에서 검출되는 제2 파장의 광에 기초하여 입력 데이터를 추출하는 것에 의해 제1 모드에서 전이중 통신을 수행하는 수단을 제공한다. 본 개시 내용의 일부 실시예는 제2 모드에서 전이중 통신을 수행하는 것으로 전환하기로 결정을 하는 수단을 제공한다. 본 개시 내용의 일부 실시예는, 그 결정을 한 것에 응답하여, (i) 제2 방출 위치로부터 방출되는 제2 파장의 광을 전송을 위해 주어진 방향 쪽으로 지향시키고, (ii) 주어진 방향으로부터 수신되는 제1 파장의 입사 광을 제1 검출 위치 쪽으로 지향시키기 위해 조향 거울을 배향시키는 수단을 제공한다. 본 개시 내용의 일부 실시예는 (i) 출력 데이터에 기초하여 변조되는 제2 파장의 광을 제2 방출 위치로부터 방출하는 것, 및 (ii) 제1 검출 위치에서 검출되는 제1 파장의 광에 기초하여 입력 데이터를 추출하는 것에 의해 제2 모드에서 전이중 통신을 수행하는 수단을 제공한다.

이들은 물론 다른 양태, 장점, 및 대안이, 적절한 경우, 첨부 도면을 참조하여 이하의 상세한 설명을 읽어봄으로써 본 기술 분야의 통상의 기술자에게 명백하게 될 것이다.

도 1은 예시적인 풍선 네트워크를 나타낸 간략화된 블록도.
도 2는 예시적인 풍선 네트워크 제어 시스템을 나타낸 블록도.
도 3은 예시적인 고고도 풍선(high-altitude balloon)을 나타낸 간략화된 블록도.
도 4a는 자유 공간 광 링크를 통해 서로 통신하는 풍선들의 네트워크를 나타낸 도면.
도 4b는 광 통신 단말의 간략화된 블록도.
도 4c는 전이중 통신의 제1 모드에서 동작하도록 정렬된 광 통신 단말의 간략화된 블록도.
도 4d는 전이중 통신의 제2 모드에서 동작하도록 정렬된 광 통신 단말의 간략화된 블록도.
도 5는 2개의 상이한 모드에서 교대로 동작하도록 배열된 예시적인 광 통신 단말을 나타낸 도면.
도 6은 다른 예시적인 광 통신 단말을 나타낸 도면.
도 7은 다른 예시적인 광 통신 단말을 나타낸 도면.
도 8은 광 통신 단말을 작동시키는 예시적인 프로세스의 플로우차트.
도 9는 예시적인 실시예에 따른 컴퓨터 판독가능 매체를 나타낸 도면.

예시적인 방법 및 시스템이 본원에 기술되어 있다. 본원에 기술되는 임의의 예시적인 실시예 또는 특징이 꼭 다른 실시예 또는 특징보다 바람직하거나 유리한 것으로 해석되어야 하는 것은 아니다. 본원에 기술되는 예시적인 실시예는 제한하기 위한 것이 아니다. 개시된 시스템 및 방법의 특정의 양태가 아주 다양한 상이한 구성 - 이들 모두가 본원에서 생각되고 있음 - 으로 배열되고 결합될 수 있다는 것을 잘 알 것이다.

1. 개요

예시적인 실시예는 지상 기반 스테이션들과의 그리고 풍선들 사이의 무선 통신을 용이하게 하는 통신 장비를 갖는 풍선들의 공중 통신 네트워크에 관한 것이다. 풍선들은 전원, 데이터 저장소, 및 정보를 풍선 네트워크의 다른 구성원들로 그리고/또는 지상에 위치된 무선 스테이션들로 무선으로 전달하기 위한 하나 이상의 송수신기들을 갖는 페이로드를 지지하는 엔벨로프로 형성될 수 있다.

전원을 공급받는 풍선들의 네트워크가 대기 중에 위치되고 통신 장비를 갖추고 있으며 서로 간에 그리고 지상에 있는 단말들과 그리고 아마도 위성들과 통신하도록 구성될 수 있다. 풍선들 각각은 서로 간에, 지상 기반 사용자 장비와, 그리고 지상에 있는 데이터 네트워크(예컨대, 인터넷)와 통신할 수 있는 공중 상호연결 네트워크에서의 단말로서 역할하여, 공중 네트워크를 통한 이러한 데이터 네트워크에의 액세스를 사용자 장비에 제공할 수 있다.

풍선들은 자유 공간 광 통신 링크를 통해 서로 통신할 수 있다. 각각의 풍선은 레이저 송신기 및 검출기와, 하나의 풍선으로부터 방출된 레이저 광을 다른 풍선에 있는 검출기로 지향시킬 수 있는 조향가능 개구 및 광학 트레인(optical train)을 갖추고 있을 수 있다. 하나의 풍선으로부터 다른 풍선으로 데이터를 송신하기 위해, 하나의 풍선으로부터의 레이저 광이 데이터를 인코딩하기 위해 변조될 수 있고, 변조된 광이 대기를 통해 전송되고 네트워크에서의 다른 풍선으로 지향될 수 있으며, 다른 풍선은 이어서 레이저 광을 수신하고 인코딩된 데이터를 복원할 수 있다.

네트워크에서의 풍선들 사이에 메시 네트워크를 형성하기 위해, 네트워크에서의 각각의 주어진 풍선은 다수의 다른 풍선들과의 사이에서 신호를 송신하고 수신할 수 있다. 그에 부가하여, 각각의 통신 링크는 양방향 통신을 가능하게 할 수 있다(예컨대, 풍선 1이 풍선 2로 신호를 송신할 수 있고, 풍선 2가 또한 풍선 1로 신호를 송신할 수 있다). 이용가능한 자원을 효율적으로 이용하기 위해, 각각의 통신 링크는 제1 풍선이 광 빔을 제2 풍선으로 전송하면서 그와 동시에 구별가능한 광 빔을 제2 풍선으로부터 수신하는 것에 의해(예컨대, 하나의 방향으로 통신을 전달하기 위해 하나의 파장을 사용하고 다른 방향으로 통신을 전달하기 위해 다른 파장을 사용하여) 전이중 통신을 지원할 수 있다. 이러한 전이중 모드에서 효과적으로 통신하기 위해, 하나의 풍선은 데이터가 파장 1(λ1)로 송신되고 파장 2(λ2)로 수신되는 "모드 A"에 있을 수 있고; 다른 풍선은 데이터가 λ2로 송신되고 λ1로 수신되는 "모드 B"에 있을 수 있다. 그렇지만, 시간이 흐름에 따라 상이한 풍선들 사이에 다양한 연결이 이루어질 수 있기 때문에, 주어진 풍선이 다른 풍선과 전이중 통신을 용이하게 하기 위해 모드를 전환할 필요가 있을 수 있다. 즉, 처음에 모드 A에 있는 2개의 풍선(또는 모드 B에 있는 2개의 풍선) 사이의 전이중 통신 링크는, 풍선들 중 하나가 A에서 B로(또는 B에서 A로) 전환하지 않는 한, 가능하지 않다.

본원에서의 개시 내용은 모드 A와 모드 B 사이의 스위칭이 조향 거울의 정렬을 변경하는 것에 의해 달성되는 광 통신 단말에 대한 배열을 제공한다. 예시적인 통신 단말은 제1 방출 위치로부터 제1 파장을 가지는 레이저 광을 방출하도록 구성된 제1 레이저 광원, 제2 방출 위치로부터 제2 파장을 가지는 레이저 광을 방출하도록 구성된 제2 레이저 광원, 제1 검출 위치에 입사하는 제1 파장을 가지는 레이저 광을 검출하도록 구성된 제1 검출기, 및 제2 검출 위치에 입사하는 제2 파장을 가지는 레이저 광을 검출하도록 구성된 제2 검출기를 포함한다.

조향 거울은 주 개구 및 이색성 빔 분할기로의 그리고 그로부터의 레이저 광을 지향시킨다. 이색성 빔 분할기는 제1 파장을 가지는 레이저 광을 실질적으로 투과시키고 제2 파장을 가지는 레이저 광을 실질적으로 반사시킴으로써 2개의 상이한 파장을 가지는 광의 광 경로를 분리시킨다. 조향 거울이 광 단말(optical terminal)이 모드 A에서 동작하도록 구성되어 있는 제1 근사 배향(approximate orientation)과 광 단말이 모드 B에서 동작하도록 구성되어 있는 제2 근사 배향 사이에서 조절될 수 있다. 상세하게는, 제1 근사 배향에서, 제1 방출 위치로부터 방출되는 제1 파장을 가지는 레이저 광은 주 개구 쪽으로 지향되고, 주 개구를 통해 수신되는 제2 파장을 가지는 레이저 광은 제2 검출 위치 쪽으로 지향된다. 그리고 제2 근사 배향에서, 제2 방출 위치로부터 방출되는 제2 파장을 가지는 레이저 광은 주 개구 쪽으로 지향되고, 주 개구를 통해 수신되는 제1 파장을 가지는 레이저 광은 제1 검출 위치 쪽으로 지향된다.

배향 피드백 센서가 조향 거울의 배향을 추정하기 위해 사용될 수 있고, 이어서 조절이 추정된 배향에 기초하여 행해질 수 있다. 배향 피드백 센서는 (주 개구로부터의) 조향 거울에 의해 반사된 일부 광을 감광 요소들의 어레이 - 어레이를 조사(illuminate)하는 광의 강도를 측정하는 데 사용될 수 있음 - 쪽으로 방향 전환(divert)시키는 빔 분할기를 포함할 수 있다. 제어기는 어레이를 조사하는 광의 중심 위치(centroid position)를 식별하고, 중심 위치를, 동작 모드에 따라, 제1 배향 또는 제2 배향에 대응하는 목표 위치(target location) 쪽으로 이동시키기 위해 조향 거울을 조절하는 데 사용될 수 있다. 제1 근사 배향과 제2 근사 배향, 및 감광 어레이(photo-sensitive array) 상의 대응하는 목표 위치들이 부분적으로는, 예를 들어, 교정 절차(calibration routine) 동안 결정된다. 조향 거울이 주 개구로부터의 수신 광(received light) 및 레이저 광원(들)으로부터의 전송 광(transmitted light) 둘 다를 지향시키는 데 사용되기 때문에, 단말로부터 전송되는 레이저 광이 수신 광의 광원(예컨대, 다른 단말의 주 개구) 쪽으로 정렬될 수 있다.

다른 예에서, 정렬 레이저 광(alignment laser light)은 통신을 전달하는 데 사용되는 파장들과 상이한 제3 파장을 갖는 레이저 광일 수 있다. 그 경우에, 정렬 레이저 광은, 데이터 전달 레이저 파장들은 투과시키면서 정렬 레이저 광은 반사시키는 이색성 빔 분할기를 사용하여, 감광 어레이 쪽으로 지향될 수 있다. 더욱이, 이러한 이색성 빔 분할기는 2개의 데이터 전달 레이저 파장들은 반사시키고 정렬 레이저 파장은 투과시킬 수 있다.

모드 A(λ1을 전송하고 λ2를 수신함)에서 동작하기 위해, 단말은 λ1의 변조된 레이저 광을 방출하는 레이저 광원 및 λ2의 레이저 광을 검출하는 광 검출기를 활성화시키고, 조향 거울을 제1 배향으로 배향시킬 수 있다. 그리고 모드 B(λ2를 전송하고 λ1을 수신함)에서 동작하기 위해, 단말은 λ2의 변조된 레이저 광을 방출하는 레이저 광원 및 λ1의 레이저 광을 검출하는 광 검출기를 활성화시키고, 조향 거울을 제2 배향으로 배향시킬 수 있다. 모드들 간에 스위칭하는 것은 조향 거울의 배향을 조절하는 것 및 적절한 레이저 및 검출기를 활성화/비활성화시키는 것에 의해 수행될 수 있다.

이 구체적인 방법들 및 시스템들 각각이 본원에서 생각되고 있으며, 몇 개의 예시적인 실시예들이 이하에서 기술된다.

2. 예시적인 시스템

도 1은 예시적인 실시예에 따른, 풍선 네트워크(100)를 나타낸 간략화된 블록도이다. 도시된 바와 같이, 풍선 네트워크(100)는 (예컨대, 데이터로 인코딩된 광 방사를 송신하고 수신하는 것에 의해) 자유 공간 광 링크(104)를 통해 서로 통신하도록 구성되어 있는 풍선들(102A 내지 102F)을 포함한다. 더욱이, "광(optical)"이라고 지칭되고 있지만, 광 링크(104)를 통한 통신이, 적외선 방사, 자외선 방사 등과 같은, 가시 스펙트럼 밖의 방사를 비롯한 일정 범위의 파장들에서의 방사에 의해 수행될 수 있다. 풍선들(102A 내지 102F)은 그에 부가하여 또는 대안적으로 (예컨대, 데이터로 인코딩된 무선 주파수 방사를 송신하고 수신하는 것에 의해) RF(radio frequency) 링크들(114)을 통해 서로 통신하도록 구성될 수 있을 것이다. 풍선들(102A 내지 102F)은 모두 모여서 패킷 데이터 통신을 위한 메시 네트워크로서 기능할 수 있다. 게다가, 적어도 일부 풍선들(예컨대, 102A 및 102B)은 각자의 RF 링크(108)를 통해 지상 기반 스테이션(ground-based station)(106)과 RF 통신을 하도록 구성될 수 있다. 게다가, 풍선(102F)과 같은, 일부 풍선들은 적절한 장비를 갖춘 지상 기반 스테이션(112)과 광 링크(110)를 통해 통신하도록 구성될 수 있을 것이다.

예시적인 실시예에서, 풍선들(102A 내지 102F)은 성층권에 설치되는 고고도 풍선이다. 중위도 지방에서, 성층권은 지표면으로부터 약 10 킬로미터(km)와 50 km 사이의 고도를 포함한다. 극지방에서, 성층권은 약 8 km의 고도에서 시작한다. 예시적인 실시예에서, 고고도 풍선은 일반적으로 비교적 낮은 풍속(예컨대, 8 내지 32 kph(kilometers per hour))을 가지는 성층권 내의 고도 범위에서 동작하도록 구성될 수 있다.

보다 구체적으로는, 고고도 풍선 네트워크에서, 풍선들(102A 내지 102F)은 일반적으로 18 km와 25 km 사이의 고도에서 동작하도록 구성될 수 있다(그렇지만 다른 고도들이 가능하다). 이 고도 범위는 몇 가지 이유로 유리할 수 있다. 상세하게는, 성층권의 이 고도 영역은 일반적으로 낮은 풍속(예컨대, 8 kph와 32 kph 사이의 풍속) 및 비교적 적은 난기류를 갖는 비교적 바람직한 대기 상태를 갖는다. 게다가, 18 km와 25 km 사이의 고도에서의 풍속이 위도에 따라 그리고 계절별로 달라질 수 있지만, 변동이 적정한 정확도로 모델링될 수 있고 따라서 이러한 변동을 예측하고 보상하는 것이 가능하다. 그에 부가하여, 18 km 초과의 고도는 전형적으로 상업 항공 교통을 위해 지정된 최대 고도 위쪽이다.

다른 풍선으로 데이터를 전송하기 위해, 주어진 풍선(102A 내지 102F)이 광 링크(104)를 통해 광 신호를 전송하도록 구성될 수 있다. 예시적인 실시예에서, 주어진 풍선(102A 내지 102F)은 광 신호를 전송하기 위해 하나 이상의 고출력(high-power) LED(light-emitting diode)를 사용할 수 있다. 대안적으로, 풍선들(102A 내지 102F) 중 일부 또는 전부는 광 링크(104)를 통한 자유 공간 광 통신을 위한 레이저 시스템을 포함할 수 있다. 다른 유형의 자유 공간 광 통신이 가능하다. 게다가, 광 링크(104)를 통해 다른 풍선으로부터 광 신호를 수신하기 위해, 주어진 풍선(102A 내지 102F)은 애벌런치 광 다이오드(avalanche photo diode)와 같은, 하나 이상의 광 검출기들을 포함할 수 있다.

추가의 양태에서, 풍선들(102A 내지 102F)은 각자의 RF 링크(108)를 통해 지상 기반 스테이션(106 및 112)과 통신하기 위해 각종의 상이한 RF 공중 인터페이스 프로토콜들 중 하나 이상을 이용할 수 있다. 예를 들면, 풍선들(102A 내지 102F) 중 일부 또는 전부는 IEEE 802.11(IEEE 802.11 개정판들 중 임의의 것을 포함함)에 기술된 프로토콜, GSM, CDMA, UMTS, EV-DO, WiMAX, 및/또는 LTE와 같은 다양한 셀룰러 프로토콜, 그리고/또는 풍선-지상 RF 통신을 위해 개발된 하나 이상의 독점 프로토콜을 사용하여 지상 기반 스테이션(106 및 112)과 통신하도록 구성될 수 있다.

추가의 양태에서, RF 링크(108)가 풍선-지상간 통신을 위한 원하는 링크 용량을 제공하지 않는 시나리오가 있을 수 있다. 예를 들면, 지상 기반 게이트웨이로부터의 백홀 링크를 제공하기 위해 그리고 다른 시나리오에서도 증가된 용량이 바람직할 수 있다. 그에 따라, 예시적인 네트워크는 또한 풍선 네트워크(100)를 지상 기반 네트워크 요소들에 연결시키기 위해 고용량 공중-지상간 링크를 제공할 수 있는 하나 이상의 하향링크 풍선들을 포함할 수 있다.

예를 들어, 풍선 네트워크(100)에서, 풍선(102F)은 하향링크 풍선으로서 구성되어 있다. 예시적인 네트워크에서의 다른 풍선들과 같이, 하향링크 풍선(102F)은 광 링크(104)를 통해 다른 풍선들과 광 통신을 하기 위해 동작가능할 수 있다. 그렇지만, 하향링크 풍선(102F)은 또한 광 링크(110)를 통해 지상 기반 스테이션(112)과 자유 공간 광 통신을 하도록 구성될 수 있다. 광 링크(110)는 따라서 풍선 네트워크(100)와 지상 기반 스테이션(112) 사이의 (RF 링크(108)에 비해) 고용량 링크로서 역할할 수 있다.

유의할 점은, 일부 구현에서, 하향링크 풍선(102F)이 그에 부가하여 지상 기반 스테이션(106)과 RF 통신을 위해 동작가능할 수 있다는 것이다. 다른 경우에, 하향링크 풍선(102F)은 풍선-지상간 통신을 위해 광 링크만을 사용할 수 있다. 게다가, 도 1에 도시된 배열이 단지 하나의 하향링크 풍선(102F)을 포함하지만, 예시적인 풍선 네트워크가 또한 다수의 하향링크 풍선들을 포함할 수 있다. 다른 한편으로, 풍선 네트워크가 또한 어떤 하향링크 풍선도 없이 구현될 수 있다.

다른 구현에서, 하향링크 풍선은, 자유 공간 광 통신 시스템 대신에 또는 그에 부가하여, 풍선-지상간 통신을 위한 특수한 고대역폭 RF 통신 시스템을 갖추고 있을 수 있다. 고대역폭 RF 통신 시스템은 광 링크들(104) 중 하나와 실질적으로 동일한 용량을 갖는 RF 링크를 제공할 수 있는 초광대역 시스템(ultra-wideband system)의 형태를 취할 수 있다. 다른 형태들이 또한 가능하다.

지상 기반 스테이션(106 및/또는 112)과 같은, 지상 기반 스테이션은 다양한 형태를 취할 수 있다. 일반적으로, 지상 기반 스테이션은 풍선 네트워크(100)에서의 풍선들에 위치해 있는 대응하는 송수신기와 RF 링크 및/또는 광 링크를 통해 무선 통신을 하기 위한 송수신기, 송신기, 및/또는 수신기와 같은 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 게다가, 지상 기반 스테이션은 RF 링크(108)를 통해 풍선들(102A 내지 102F)과 통신하기 위해 다양한 공중 인터페이스 프로토콜을 사용할 수 있다. 그 자체로서, 지상 기반 스테이션(106 및 112)은 액세스 포인트 - 이를 통해 다양한 디바이스들이 풍선 네트워크(100)에 연결할 수 있음 - 로서 구성될 수 있다. 지상 기반 스테이션(106 및 112)은, 본 개시 내용의 범주를 벗어남이 없이, 다른 구성들을 가질 수 있고 그리고/또는 다른 목적에 기여할 수 있다.

추가의 양태에서, 풍선들(102A 내지 102F) 중 일부 또는 전부는 그에 부가하여 또는 대안적으로 우주 기반 위성들과 통신 링크를 설정하도록 구성될 수 있을 것이다. 일부 실시예에서, 풍선은 광 링크를 통해 위성과 통신할 수 있다. 그렇지만, 다른 유형의 위성 통신이 가능하다.

게다가, 지상 기반 스테이션(106 및 112)과 같은, 일부 지상 기반 스테이션은 풍선 네트워크(100)와 하나 이상의 다른 네트워크들 사이의 게이트웨이로서 구성될 수 있다. 이러한 지상 기반 스테이션(106 및 112)은 따라서 풍선 네트워크와 인터넷, 셀룰러 서비스 제공업체의 네트워크, 및/또는 정보를 전달하기 위한 다른 유형의 네트워크 사이의 인터페이스로서 역할할 수 있다. 지상 기반 스테이션(106 및 112)의 이 구성 및 다른 구성들에 대한 변형이 또한 가능하다.

2a) 메시 네트워크 기능

살펴본 바와 같이, 풍선들(102A 내지 102F)은 모두 모여서 메시 네트워크로서 기능할 수 있다. 보다 구체적으로는, 풍선들(102A 내지 102F)이 자유 공간 광 링크를 사용하여 서로 통신할 수 있기 때문에, 풍선들은 모두 모여서 자유 공간 광 메시 네트워크로서 기능할 수 있다.

메시 네트워크 구성에서, 각각의 풍선(102A 내지 102F)은, 그에게로 보내지는 데이터를 수신하고 데이터를 다른 풍선들로 라우팅하기 위해 동작가능한, 메시 네트워크의 노드로서 기능할 수 있다. 그에 따라, 소스 풍선과 목적지 풍선 사이의 적절한 광 링크 시퀀스를 결정하는 것에 의해 데이터가 소스 풍선으로부터 목적지 풍선으로 라우팅될 수 있다. 이 광 링크들은 총칭하여 소스 풍선과 목적지 풍선 사이의 연결을 위한 "광 경로(lightpath)"라고 지칭될 수 있다. 게다가, 광 링크들 각각은 광 경로 상의 "홉(hop)"이라고 지칭될 수 있다. 특정의 광 경로를 따라 있는 각각의 중간 풍선(즉, 홉)은, 수신된 광 신호를 통해 착신 통신(incoming communication)을 먼저 검출하고 이어서 특정의 광 경로 상의 다음 풍선에 의해 수신될 대응하는 광 신호를 방출하는 것에 의해 통신을 재전송(repeat)하는, 리피터 스테이션(repeater station)으로서 기능할 수 있다. 그에 부가하여 또는 대안적으로, 특정의 중간 풍선은 단지 입사 신호(incident signal)를, 예컨대, 입사 광 신호(incident optical signal)를 다음 풍선 쪽으로 전파하도록 반사시키는 것에 의해, 다음 풍선 쪽으로 지향시킬 수 있다.

메시 네트워크로서 동작하기 위해, 풍선들(102A 내지 102F)은 다양한 라우팅 기법들 및 자가 복구(self-healing) 알고리즘들을 이용할 수 있다. 일부 실시예에서, 풍선 네트워크(100)는, 소스 풍선과 목적지 풍선 사이의 광 경로가 연결이 필요할 때 결정되고 설정되며 나중에 해제되는, 적응적 또는 동적 라우팅을 이용할 수 있다. 게다가, 적응적 라우팅이 사용될 때, 광 경로가 풍선 네트워크(100)의 현재 상태, 과거 상태, 및/또는 예측된 상태에 따라 동적으로 결정될 수 있다.

그에 부가하여, 풍선들(102A 내지 102F)이 서로에 대해 그리고/또는 지상에 대해 이동할 때 네트워크 토폴로지가 변할 수 있다. 그에 따라, 예시적인 풍선 네트워크(100)는, 네트워크의 토폴로지가 변할 때, 네트워크의 상태를 업데이트하기 위해 메시 프로토콜을 적용할 수 있다. 예를 들어, 풍선들(102A 내지 102F)의 이동성을 해결하기 위해, 풍선 네트워크(100)는 모바일 애드혹 네트워크(mobile ad hoc network)(MANET)에서 이용되는 다양한 기법들을 이용하고 그리고/또는 적응시킬 수 있다. 다른 예들이 또한 가능하다.

일부 구현에서, 풍선 네트워크(100)는 투명 메시 네트워크(transparent mesh network)로서 구성될 수 있다. 보다 구체적으로는, 투명 메시 네트워크 구성에서, 풍선들은, 어떤 전기 컴포넌트도 광 신호의 라우팅에 관여되지 않는, 완전히 광학적인 물리적 스위칭을 위한 컴포넌트들을 포함할 수 있다. 이와 같이, 광학적 스위칭을 갖는 투명 구성에서, 신호는 완전히 광학적인 다중 홉 광 경로(multi-hop lightpath)를 통해 진행할 수 있다.

다른 구현에서, 풍선 네트워크(100)는 불투명인 자유 공간 광 메시 네트워크를 구현할 수 있다. 불투명 구성에서, 일부 또는 모든 풍선들(102A 내지 102F)이 OEO(optical-electrical-optical) 스위칭을 구현할 수 있다. 예를 들어, 일부 또는 모든 풍선들이 광 신호의 OEO 변환을 위해 OXC(optical cross-connect)를 포함할 수 있다. 다른 불투명 구성들도 가능하다. 그에 부가하여, 투명 섹션과 불투명 섹션 둘 다를 갖는 라우팅 경로를 포함하는 네트워크 구성들이 가능하다.

추가의 양태에서, 풍선 네트워크(100)에서의 풍선들은 링크 용량을 증가시키기 위해 사용될 수 있는 WDM(wavelength division multiplexing)을 구현할 수 있다. WDM이 투명 스위칭으로 구현될 때, 주어진 광 경로 상의 모든 광 링크들에 대해 동일한 파장을 할당하는 것이 필요할 수 있다. 투명 풍선 네트워크에서의 광 경로는 따라서 "파장 연속성 제약(wavelength continuity constraint)"을 받는다고 말해지는데, 그 이유는 특정의 광 경로에 있는 각각의 홉이 동일한 파장을 사용하도록 요구받을 수 있기 때문이다.

다른 한편으로, 불투명 구성은 이러한 파장 연속성 제약을 피할 수 있다. 상세하게는, 불투명 풍선 네트워크에서의 풍선들은 주어진 광 경로를 따라 파장 변환을 위해 동작가능한 OEO 스위칭 시스템을 포함할 수 있다. 그 결과, 풍선들은 특정의 광 경로를 따라 있는 하나 이상의 홉들에서 광 신호의 파장을 변환할 수 있다.

더욱이, 일부 예시적인 메시 네트워크는 광 링크 및 RF 링크 둘 다를 이용할 수 있다. 예를 들어, 메시 네트워크를 통한 통신 경로는 광 링크 상의 하나 이상의 홉들 및 RF 링크 상의 하나 이상의 홉들을 포함할 수 있다. 예를 들면, 네트워크에서의 비교적 근접한 풍선들 사이에서 RF 링크가 사용될 수 있다.

2b) 풍선 네트워크에서의 풍선들의 제어

일부 실시예에서, 메시 네트워킹 및/또는 다른 제어 기능들이 중앙 집중식일 수 있다. 예를 들어, 도 2는 예시적인 실시예에 따른, 풍선 네트워크 제어 시스템을 나타낸 블록도이다. 상세하게는, 도 2는 중앙 제어 시스템(200)과 다수의 지역 제어 시스템들(202A 내지 202B)을 포함하는 분산 제어 시스템을 나타낸다. 이러한 제어 시스템은 풍선 네트워크(204)에 대한 특정의 기능을 조정하도록 구성될 수 있고, 그에 따라, 풍선들(206A 내지 206I)에 대한 특정의 기능들을 제어하고 그리고/또는 조정하도록 구성될 수 있다.

예시된 실시예에서, 중앙 제어 시스템(200)은 다수의 지역 제어 시스템들(202A 내지 202C)을 통해 풍선들(206A 내지 206I)과 통신하도록 구성될 수 있다. 이 지역 제어 시스템들(202A 내지 202C)은 그들이 담당하는 각자의 지리적 영역들에 있는 풍선들로부터의 통신을 수신하고 그리고/또는 데이터를 집계하며 통신 및/또는 데이터를 중앙 제어 시스템(200)으로 중계하도록 구성될 수 있다. 게다가, 지역 제어 시스템들(202A 내지 202C)은 중앙 제어 시스템(200)으로부터의 통신을 그 각자의 지리적 영역들에 있는 풍선들로 라우팅하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 도 2에 도시된 바와 같이, 지역 제어 시스템(202A)은 풍선들(206A 내지 206C)과 중앙 제어 시스템(200) 사이에서 통신 및/또는 데이터를 중계할 수 있고, 지역 제어 시스템(202B)은 풍선들(206D 내지 206F)과 중앙 제어 시스템(200) 사이에서 통신 및/또는 데이터를 중계할 수 있으며, 지역 제어 시스템(202C)은 풍선들(206G 내지 206I)과 중앙 제어 시스템(200) 사이에서 통신 및/또는 데이터를 중계할 수 있다.

중앙 제어 시스템(200)과 풍선들(206A 내지 206I) 사이의 통신을 용이하게 하기 위해, 특정의 풍선들이 지역 제어 시스템들(202A 내지 202C)과 통신하기 위해 동작가능한 하향링크 풍선으로서 구성될 수 있다. 그에 따라, 각각의 지역 제어 시스템(202A 내지 202C)은 그가 담당하는 각자의 지리적 영역에 있는 하향링크 풍선 또는 풍선들과 통신하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 예시된 실시예에서, 풍선들(206A, 206F, 및 206I)은 하향링크 풍선으로서 구성되어 있다. 그에 따라, 지역 제어 시스템들(202A 내지 202C)은, 각각, 광 링크들(208, 210, 및 212)을 통해, 각각, 풍선들(206A, 206F, 및 206I)과 통신할 수 있다.

예시된 구성에서, 풍선들(206A 내지 206I) 중 일부만이 하향링크 풍선으로서 구성된다. 하향링크 풍선으로서 구성되는 풍선들(206A, 206F, 및 206I)은 중앙 제어 시스템(200)으로부터의 통신을, 풍선들(206B 내지 206E, 206G, 및 206H)과 같은, 풍선 네트워크에서의 다른 풍선들로 중계할 수 있다. 그렇지만, 일부 구현에서, 모든 풍선들이 하향링크 풍선으로서 기능할 수 있는 것이 가능하다는 것을 잘 알 것이다. 게다가, 도 2가 하향링크 풍선으로서 구성된 다수의 풍선들을 나타내고 있지만, 풍선 네트워크가 단지 하나의 하향링크 풍선을 포함하는 것이 또한 가능하다. 더욱이, 풍선 네트워크는 그에 부가하여 또는 대안적으로, 예를 들어, 풍선 네트워크 위쪽에서 궤도를 돌고 있는 통신 네트워크에서의 위성들과의 자유 공간 광 링크를 통한 통신을 수반할 수 있는, 위성 네트워크와의 연결을 통해 중앙 제어 시스템 및/또는 데이터 전송 네트워크들과 통신하는 위성 링크 풍선들을 포함할 수 있다.

지역 제어 시스템들(202A 내지 202C)은 하향링크 풍선과 통신하도록 구성되어 있는 특정 유형의 지상 기반 스테이션(예컨대, 도 1의 지상 기반 스테이션(112) 등)일 수 있다. 이와 같이, 도 2에 도시되어 있지 않지만, 제어 시스템이 다른 유형의 지상 기반 스테이션(예컨대, 액세스 포인트, 게이트웨이 등)과 관련하여 구현될 수 있다.

도 2에 도시된 것과 같은, 중앙 집중식 제어 구성에서, 중앙 제어 시스템(200)(그리고 어쩌면 또한 지역 제어 시스템들(202A 내지 202C))이 풍선 네트워크(204)에 대한 특정의 메시 네트워킹 기능들을 조정할 수 있다. 예를 들어, 풍선들(206A 내지 206I)은 중앙 제어 시스템(200)에 특정의 상태 정보를 송신할 수 있고, 중앙 제어 시스템(200)은 그를 이용하여 풍선 네트워크(204)의 상태를 결정할 수 있다. 주어진 풍선으로부터의 상태 정보는 위치 데이터, 광 링크 정보(예컨대, 풍선과 광 링크를 설정한 다른 풍선들의 ID(identity), 링크의 대역폭, 링크에서의 파장 사용 및/또는 이용가능성 등), 풍선에 의해 수집된 바람 데이터, 및/또는 다른 유형의 정보를 포함할 수 있다. 그에 따라, 중앙 제어 시스템(200)은 네트워크(204)의 전체적인 상태를 결정하기 위해 풍선들(206A 내지 206I) 중 일부 또는 전부로부터의 상태 정보를 집계할 수 있다.

네트워크(204)의 전체적인 상태에 부분적으로 기초하여, 제어 시스템(200)은 이어서, 예를 들어, 연결을 위한 광 경로를 결정하는 것과 같은, 특정의 메시 네트워킹 기능들을 조정하고 그리고/또는 용이하게 하기 위해 사용될 수 있다. 중앙 제어 시스템(200)은 풍선들(206A 내지 206I) 중 일부 또는 전부로부터의 집계된 상태 정보에 기초하여 현재 토폴로지(또는 풍선들의 공간적 분포)를 결정할 수 있다. 토폴로지는 풍선 네트워크에서 이용가능한 현재 광 링크 및/또는 이러한 링크들에서의 파장 이용가능성을 나타낼 수 있다. 개개의 풍선들이 필요에 따라 풍선 네트워크(204)를 통한 통신을 위한 적절한 광 경로(그리고 어쩌면 백업 광 경로)를 선택할 수 있도록, 토폴로지가 이어서 풍선들 중 일부 또는 전부로 송신될 수 있다.

추가의 양태에서, 중앙 제어 시스템(200)(그리고 어쩌면 또한 지역 제어 시스템들(202A 내지 202C))이 또한 풍선들의 원하는 공간적 분포를 달성하기 위해 풍선 네트워크(204)에 대한 특정의 위치 결정 기능들을 조정할 수 있다. 예를 들어, 중앙 제어 시스템(200)은 풍선들(206A 내지 206I)로부터 수신되는 상태 정보를, 네트워크의 현재 토폴로지를 원하는 토폴로지와 효과적으로 비교하는 에너지 기능에 입력하고, 풍선들이 원하는 토폴로지 쪽으로 이동할 수 있도록, 각각의 풍선에 대한 이동(있는 경우)의 방향을 표시하는 벡터를 제공할 수 있다. 게다가, 중앙 제어 시스템(200)은 원하는 토폴로지 쪽으로의 이동을 달성하기 위해 개시될 수 있는 각자의 고도 조절을 결정하기 위해 고도의 바람 데이터를 사용할 수 있다. 중앙 제어 시스템(200)은 다른 위치 유지 기능(station-keeping function)도 제공하고 그리고/또는 지원할 수 있다.

도 2는, 지역 제어 시스템들(202A 내지 202C)이 중앙 제어 시스템(200)과 풍선 네트워크(204) 사이의 통신을 조정하는, 중앙 집중식 제어를 제공하는 분산 구성을 나타내고 있다. 이러한 구성은 큰 지리적 영역에 걸쳐 있는 풍선 네트워크에 대한 중앙 집중식 제어를 제공하는 데 유용할 수 있다. 일부 실시예에서, 분산 구성은 심지어 지구 상의 모든 곳에서 커버리지를 제공하는 전세계 풍선 네트워크를 지원할 수 있다. 물론, 분산 제어 구성이 다른 시나리오들에서도 유용할 수 있다.

게다가, 다른 제어 시스템 구성이 또한 가능하다는 것을 잘 알 것이다. 예를 들면, 일부 구현은 부가 계층들(예컨대, 지역 제어 시스템 내의 하위 지역 시스템 등)을 갖는 중앙 집중식 제어 시스템을 포함할 수 있다. 대안적으로, 제어 기능이 하나 이상의 하향링크 풍선들과 직접 통신하는 단일의 중앙 집중식 제어 시스템에 의해 제공될 수 있다.

일부 실시예에서, 풍선 네트워크의 제어 및 조정이 지상 기반 제어 시스템과 풍선 네트워크에 의해, 구현에 따라, 다양한 정도로 공유될 수 있다. 사실, 일부 실시예에서, 지상 기반 제어 시스템이 없을 수 있다. 이러한 실시예에서, 모든 네트워크 제어 및 조정 기능이 풍선 네트워크 자체에 의해(예컨대, 네트워크(204)에서의 하나 이상의 풍선들의 페이로드 상에 위치된 처리 시스템에 의해) 구현될 수 있다. 예를 들어, 특정의 풍선들이 중앙 제어 시스템(200) 및/또는 지역 제어 시스템들(202A 내지 202C)과 동일하거나 유사한 기능들을 제공하도록 구성될 수 있다. 다른 예가 또한 가능하다.

게다가, 풍선 네트워크의 제어 및/또는 조정이 비집중식(decentralized)일 수 있다. 예를 들어, 각각의 풍선은 일부 또는 모든 근방의 풍선들로 상태 정보를 중계하고 그로부터 상태 정보를 수신할 수 있다. 게다가, 각각의 풍선은 근방의 풍선으로부터 수신하는 상태 정보를 일부 또는 모든 근방의 풍선들로 중계할 수 있다. 모든 풍선들이 그렇게 할 때, 각각의 풍선은 네트워크의 상태를 개별적으로 결정할 수 있을 것이다. 대안적으로, 특정의 풍선들이 네트워크의 주어진 부분에 대한 상태 정보를 집계하도록 지정될 수 있다. 이 풍선들은 이어서 네트워크의 전체적인 상태를 결정하기 위해 서로 협력할 수 있다.

게다가, 일부 양태에서, 풍선 네트워크의 제어는, 제어가 네트워크의 전체적인 상태에 의존하지 않도록, 부분적으로 또는 전체적으로 로컬화될 수 있다. 예를 들어, 개개의 풍선들이 근방의 풍선들만을 고려하는 풍선 위치 결정 기능을 구현할 수 있다. 상세하게는, 각각의 풍선은 그 자신의 상태 및 근방의 풍선들의 상태에 기초하여 어떻게 이동할지(그리고/또는 이동할지 여부)를 결정할 수 있다. 풍선들은 각각에 대한 각자의 절대적 및/또는 상대적 목표 위치(target position)를 결정하기 위해 최적화 루틴(예컨대, 에너지 기능)을 사용할 수 있다. 각자의 풍선들은 이어서 네트워크 전체의 원하는 토폴로지를 꼭 고려할 필요 없이, 예를 들어, 근방의 풍선들에 대한 그 각자의 목표 위치 쪽으로 이동할 수 있다. 그렇지만, 각각의 풍선이 이러한 위치 결정 루틴을 구현할 때, 풍선 네트워크 전체가 원하는 공간적 분포(토폴로지)를 유지하고 그리고/또는 그 쪽으로 이동할 수 있다.

2c) 예시적인 풍선 구성

다양한 유형의 풍선 시스템이 예시적인 풍선 네트워크에 포함될 수 있다. 앞서 살펴본 바와 같이, 예시적인 실시예는 18 km와 25 km 사이의 고도 범위에서 동작하는 고고도 풍선들을 이용할 수 있다. 도 3은 예시적인 실시예에 따른, 고고도 풍선(300)을 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 풍선(300)은 엔벨로프(302), 스커트(304), 및 페이로드(306)를 포함하고, 이것은 블록도로 도시되어 있다.

엔벨로프(302)와 스커트(304)는 현재 널리 공지되어 있거나 아직 개발되지 않을 수 있는 다양한 형태를 취할 수 있다. 예를 들면, 엔벨로프(302) 및/또는 스커트(304)는 금속 피복된 마일라(metalized Mylar) 또는 BoPet을 비롯한 금속 및/또는 중합체 재료로 이루어져 있을 수 있다. 그에 부가하여 또는 대안적으로, 엔벨로프(302) 및/또는 스커트(304) 중 일부 또는 전부는 고도로 유연한 라텍스 재료 또는 클로로프렌과 같은 고무 재료로 구성될 수 있다. 다른 재료가 또한 가능하다. 엔벨로프(302)는 풍선(300)이 지구의 대기에서 원하는 고도에 도달할 수 있게 하는 데 적당한 기체로 채워질 수 있다. 이와 같이, 엔벨로프(302)는 풍선(300)이 지구의 대기에서 부력을 가져 원하는 고도에 도달할 수 있게 하기 위해, 대부분이 분자 질소 및 분자 산소인 대기 혼합물에 비해, 비교적 저밀도인 기체로 채워질 수 있다. 헬륨 및/또는 수소와 같은, 적당한 특성들을 갖는 각종의 상이한 기체 물질이 사용될 수 있다. 기체 물질(혼합물을 포함함)의 다른 예도 가능하다.

풍선(300)의 페이로드(306)는 프로세서(313) 및, 메모리(314)와 같은, 온보드 데이터 저장소를 가지는 컴퓨터 시스템(312)을 포함할 수 있다. 메모리(314)는 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체의 형태를 취하거나 그를 포함할 수 있다. 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체는, 본원에 기술되는 풍선 기능들을 수행하기 위해 프로세서(313)에 의해 액세스되고 실행될 수 있는, 명령어들을 저장하고 있을 수 있다. 이와 같이, 프로세서(313)는, 메모리(314)에 저장된 명령어 및/또는 다른 컴포넌트들과 함께, 풍선(300)의 제어기로서 기능할 수 있다.

풍선(300)의 페이로드(306)는 또한 다수의 상이한 기능들을 제공하기 위해 다양한 다른 유형의 장비 및 시스템을 포함할 수 있다. 예를 들어, 페이로드(306)는, 초고휘도(ultra-bright) LED 시스템 및/또는 레이저 시스템을 통해 광 신호를 전송할 수 있고 광 통신 수신기(예컨대, 광 다이오드 수신기 시스템)를 통해 광 신호를 수신할 수 있는, 광 통신 시스템(316)을 포함할 수 있다. 게다가, 페이로드(306)는, 안테나 시스템을 통해 RF 통신을 전송하고 그리고/또는 수신할 수 있는, RF 통신 시스템(318)을 포함할 수 있다.

페이로드(306)는 또한 풍선(300)의 다양한 컴포넌트들에 전력을 공급하는 전원(326)을 포함할 수 있다. 전원(326)은 충전가능 배터리 또는 다른 에너지 저장 디바이스를 포함할 수 있을 것이다. 풍선(300)은 태양광 발전 시스템(327)을 포함할 수 있다. 태양광 발전 시스템(327)은 태양광 패널을 포함할 수 있고, 전원(326)을 충전시키고 그리고/또는 그에 의해 분배되는 전력을 발생시키는 데 사용될 수 있을 것이다. 다른 실시예에서, 전원(326)은 그에 부가하여 또는 대안적으로 전력을 발생시키고 그리고/또는 공급하는 다른 수단을 나타낼 수 있다.

페이로드(306)는 그에 부가하여 위치 결정 시스템(324)을 포함할 수 있다. 위치 결정 시스템(324)은, 예를 들어, GPS(global positioning system), 관성 내비게이션 시스템(inertial navigation system), 및/또는 별 추적 시스템(star-tracking system)을 포함할 수 있을 것이다. 위치 결정 시스템(324)은 그에 부가하여 또는 대안적으로 다양한 움직임 센서(예컨대, 가속도계, 자력계, 자이로스코프, 및/또는 나침반)를 포함할 수 있다. 위치 결정 시스템(324)은 그에 부가하여 또는 대안적으로 하나 이상의 비디오 카메라 및/또는 스틸 카메라, 그리고/또는 풍선(300)의 지리 공간 위치(geospatial position)를 나타내는 환경 데이터를 포착하기 위한 다양한 센서를 포함할 수 있고, 이 정보는 풍선(300)의 위치를 결정하기 위해 컴퓨터 시스템(312)에 의해 사용될 수 있다.

페이로드(306) 내의 컴포넌트들 및 시스템들의 일부 또는 전부는, 정보 중에서도 특히, 압력, 고도, 지리적 위치(위도 및 경도), 온도, 상대 습도, 그리고/또는 풍속 및/또는 풍향과 같은, 환경 파라미터들을 측정하기 위해 동작가능할 수 있는 라디오존데(radiosonde) 또는 다른 프로브에서 구현될 수 있다.

살펴본 바와 같이, 풍선(300)은 다른 풍선들과의 자유 공간 광 통신을 위해 초고휘도 LED 시스템을 포함할 수 있다. 그에 따라, 광 통신 시스템(316)은 LED 및/또는 레이저로부터의 광을 변조하는 것에 의해 출력 데이터를 나타내는 광 신호를 발생시키도록 구성될 수 있다. 광 신호는 이어서 자유 공간에서 높은 지향성의 평행화된 빔(highly directional, collimated beam)으로서 (다른 풍선 상의) 수신측 단말 쪽으로 전송될 수 있고, 여기서 데이터는 광 신호로부터 추출될 수 있다. 이와 유사하게, 광 통신 시스템(316)은 또한 다른 단말로부터의 광 신호의 착신 빔(incoming beam)을 수신할 수 있다. 광 통신 시스템(316)은 이어서 수신된 광 신호의 변조를 검출하고 그로부터 입력 데이터를 추출할 수 있다. 광 통신 시스템(316)은 기계 시스템으로 그리고/또는 하드웨어, 펌웨어, 및/또는 소프트웨어로 구현될 수 있다. 일반적으로, 광 통신 시스템이 구현되는 방식은, 특정의 응용 분야에 따라, 달라질 수 있다. 광 통신 시스템(316) 및 다른 연관된 컴포넌트들이 이하에서 더욱 상세히 기술된다.

추가의 양태에서, 풍선(300)이 고도 제어를 하도록 구성될 수 있다. 예를 들면, 풍선(300)은 풍선 내의 기체의 체적 및/또는 밀도를 조절함으로써 풍선(300)의 고도를 변경하도록 구성되어 있는 가변 부력 시스템(variable buoyancy system)을 포함할 수 있다. 가변 부력 시스템은 다양한 형태를 취할 수 있고, 일반적으로 엔벨로프(302) 내의 기체의 체적 및/또는 밀도를 변경할 수 있는 임의의 시스템일 수 있다.

예시적인 실시예에서, 가변 부력 시스템은 엔벨로프(302) 내부에 위치되는 블래더(bladder)(310)를 포함할 수 있다. 블래더(310)는 액체 및/또는 기체를 보유하도록 구성된 탄성 챔버(elastic chamber)일 수 있다. 대안적으로, 블래더(310)가 엔벨로프(302) 내부에 있을 필요는 없다. 예를 들면, 블래더(310)는 블래더(310) 밖의 압력을 초과하여 가압되는 액화 및/또는 기체 물질을 보유하는 경성 용기일 수 있다. 풍선(300)의 부력이 따라서 블래더(310) 내의 기체의 밀도 및/또는 체적을 변경함으로써 조절될 수 있다. 블래더(310) 내의 밀도를 변경하기 위해, 풍선(300)이 블래더(310) 내의 기체를 가열 및/또는 냉각시키는 시스템 및/또는 메커니즘으로 구성될 수 있다. 게다가, 체적을 변경하기 위해, 풍선(300)은 블래더(310)에 기체를 추가하고 그리고/또는 그로부터 기체를 제거하기 위한 펌프 또는 다른 특징부를 포함할 수 있다. 그에 부가하여 또는 대안적으로, 블래더(310)의 체적을 변경하기 위해, 풍선(300)은 기체가 블래더(310)로부터 빠져나올 수 있게 하기 위해 제어가능한 배기 밸브 또는 다른 특징부를 포함할 수 있다. 다수의 블래더들(310)이 본 개시 내용의 범주 내에서 구현될 수 있을 것이다. 예를 들면, 다수의 블래더들이 풍선 안정성을 향상시키기 위해 사용될 수 있을 것이다.

예시적인 실시예에서, 엔벨로프(302)가 전형적인 대기 기체보다 작은 밀도를 갖는 헬륨, 수소 또는 다른 기체 물질(즉, "공기보다 가벼운" 기체)로 채워질 수 있을 것이다. 엔벨로프(302)는 따라서 그의 변위에 기초하여 연관된 상향 부력(upward buoyancy force)을 가질 수 있을 것이다. 이러한 실시예에서, 블래더(310) 내의 공기는 연관된 하향 밸러스트 힘(downward ballast force)을 가질 수 있는 밸러스트 탱크(ballast tank)로 간주될 수 있다. 다른 예시적인 실시예에서, 블래더(310) 내의 공기의 양이 공기를 (예컨대, 공기 압축기로) 블래더(310) 내로 그리고 블래더(310) 밖으로 펌핑하는 것에 의해 변경될 수 있을 것이다. 블래더(310) 내의 공기의 양을 조절함으로써, 밸러스트 힘이 제어될 수 있다. 일부 실시예에서, 밸러스트 힘이, 부분적으로, 부력에 대항하기 위해 그리고/또는 고도 안정성을 제공하기 위해, 사용될 수 있다.

다른 실시예에서, 엔벨로프(302)는 실질적으로 경성이고 밀폐 체적(enclosed volume)을 포함할 수 있을 것이다. 밀폐 체적이 실질적으로 유지되면서 공기가 엔벨로프(302)로부터 배출될 수 있을 것이다. 환언하면, 밀폐 체적 내에 적어도 부분 진공이 생성되고 유지될 수 있을 것이다. 이와 같이, 엔벨로프(302) 및 밀폐 체적이 공기보다 더 가볍게 되고 부력을 제공할 수 있을 것이다. 또 다른 실시예에서, 전체적인 부력을 조절하고 그리고/또는 고도 제어를 제공하기 위해 공기 또는 다른 물질이 밀폐 체적의 부분 진공 내로 제어가능하게 유입될 수 있을 것이다.

다른 실시예에서, 엔벨로프(302)의 일부분이 제2 색상(예컨대, 백색) 및/또는 제2 재료를 가질 수 있는 엔벨로프(302)의 나머지와 상이한 제1 색상(예컨대, 흑색)이고 그리고/또는 제1 재료로 형성될 수 있다. 예를 들면, 제1 색상 및/또는 제1 재료는 제2 색상 및/또는 제2 재료보다 비교적 더 많은 양의 태양 에너지를 흡수하도록 구성될 수 있을 것이다. 이와 같이, 제1 재료가 태양과 마주하고 있도록 풍선을 회전시키는 것은 엔벨로프(302)는 물론 엔벨로프(302) 내부의 기체를 가열시키는 기능을 할 수 있다. 이러한 방식으로, 엔벨로프(302)의 부력이 증가할 수 있다. 제2 재료가 태양을 마주하고 있도록 풍선을 회전시키는 것에 의해, 엔벨로프(302) 내부의 기체의 온도가 감소될 수 있다. 그에 따라, 부력이 감소될 수 있다. 이러한 방식으로, 풍선의 부력이 태양 에너지를 사용하여 엔벨로프(302) 내부의 기체의 온도/체적을 변경함으로써 조절될 수 있을 것이다. 이러한 실시예에서, 블래더(310)가 풍선(300)의 필요 요소가 아닐 수 있는 것이 가능하다. 이와 같이, 다양한 생각되는 실시예에서, 풍선(300)의 고도 제어가, 적어도 부분적으로, 엔벨로프(302) 내의 기체를 선택적으로 가열/냉각시키기 위해 태양에 대해 풍선의 회전을 조절하고 그로써 이러한 기체의 밀도를 조절함으로써 달성될 수 있을 것이다.

게다가, 풍선(306)은 내비게이션 시스템(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 내비게이션 시스템은 풍선들의 원하는 공간적 분포(풍선 네트워크 토폴로지)에 따른 위치 내에 위치를 유지하고 그리고/또는 그 위치로 이동하기 위해 위치 결정 기능을 구현할 수 있다. 상세하게는, 내비게이션 시스템은 바람이 풍선을 원하는 방향으로 그리고/또는 원하는 위치로 전달하게 하는 고도별 조절을 결정하기 위해 고도별 바람 데이터를 사용할 수 있다. 고도 제어 시스템은 그러면 결정된 고도별 조절을 행하고 그로써 풍선(300)을 원하는 방향으로 그리고/또는 원하는 위치로 측방으로 이동시키기 위해 풍선 엔벨로프(302)의 밀도에 대한 조절을 행할 수 있다. 그에 부가하여 또는 대안적으로, 원하는 고도별 조절이 지상 기반 또는 위성 기반 제어 시스템에 의해 계산되고 풍선(300)으로 전달될 수 있다. 다른 실시예에서, 풍선 네트워크 내의 특정 풍선이 다른 풍선들에 대한 고도별 조절을 계산하고 조절 명령을 그 다른 풍선들로 전송하도록 구성될 수 있다.

몇 개의 예시적인 구현이 본원에 기술된다. 본원에 개시되는 디바이스, 시스템, 및 방법을 구현하는 많은 방식들이 있다는 것을 잘 알 것이다. 그에 따라, 이하의 예는 본 개시 내용의 범주를 제한하는 것으로 의도되어 있지 않다.

3. 전이중 광 통신

도 4a는 자유 공간 광 링크를 통해 서로 통신하는 풍선들의 네트워크(400)의 다이어그램이다. 네트워크(400)는 다수의 광 통신 단말들(403a, 404b)을 갖는 제1 풍선(402); 다수의 광 통신 단말들(407b, 408b)을 갖는 제2 풍선(406); 및 다수의 광 통신 단말들(411a, 412a)을 갖는 제3 풍선(410)을 포함한다. 네트워크(400)에서의 풍선들 사이에 메시 네트워크를 형성하기 위해, 네트워크에서의 각각의 주어진 풍선(402, 406, 410)은 서로 간에 광 신호를 송신하고 수신할 수 있다. 이와 같이, 제1 풍선(402)과 제2 풍선(406)은 광 경로(414)를 따라 각자의 단말들(403a 및 406b) 사이에서 데이터 변조 광 신호(data modulated optical signal)를 교환하는 것에 의해 통신할 수 있다. 광 경로(414)는 광 신호가 2개의 풍선들(402, 406) 사이에서 그리고 특히 단말들(403a, 407b) 사이에서 진행하는 자유 공간 광 경로이다. 이와 유사하게, 제1 풍선(402)과 제3 풍선(410)은 광 경로(416)를 따라 각자의 단말들(404b 및 412a) 사이에서 데이터 변조 광 신호를 교환하는 것에 의해 통신한다. 그리고, 제2 풍선(406)과 제3 풍선(410)은 광 경로(418)를 따라 각자의 단말들(408b 및 411a) 사이에서 데이터 변조 광 신호를 교환하는 것에 의해 통신한다.

네트워크(400)에서의 광 통신 링크들 각각은 전송 신호와 수신 신호를 구분하기 위해 파장 분할을 사용하여 양방향 통신을 가능하게 한다. 예를 들어, 광 경로(414)를 통해, 풍선(402)은 제1 파장(λ1)을 가지는 광을 사용하여 데이터를 풍선(406)으로 송신할 수 있고, 풍선(406)은 또한 제2 파장(λ2)을 가지는 광을 사용하여 데이터를 풍선(402)으로 송신할 수 있다. 그에 따라, 데이터가 동일한 광 경로(414)를 통해 양쪽 방향으로 동시에 전송될 수 있고, 2개의 단말(403a, 407b)은 λ1과 λ2의 광을 분리시키고 수신 신호의 변조를 검출하기 위해, 이색성 빔 분할기, 필터 등과 같은, 파장 선택적 광학계(wavelength-selective optics)를 이용할 수 있다. 2개의 단말(403a, 407b)은 또한, 데이터 변조 광을 전송 신호들(λ1 또는 λ2) 중 어느 하나로 방출하도록 구성되어 있는 레이저 다이오드 및/또는 레이저와 같은, 파장 특정 광원(wavelength-specific light source)을 포함할 수 있다. 이와 같이, 광 통신 단말(403a)은 출력 데이터를 나타내는 파장 λ1의 광을 방출하고 그와 동시에 입력 데이터를 나타내는 파장 λ2의 광을 검출하도록 구성되어 있다. 상보적 방식으로, 광 통신 단말(407b)은 출력 데이터를 나타내는 λ2의 광을 방출하고 그와 동시에 입력 데이터를 나타내는 λ1의 광을 검출하도록 구성되어 있다. 결합하여 이어서, 광 통신 단말들(403a, 407b)은 광 경로(414)를 통해 풍선들(402, 406) 사이에서 양방향(전이중) 데이터 통신을 가능하게 하는 상보적 쌍을 형성한다.

임의의 2개의 풍선 사이의 전이중 통신을 용이하게 하기 위해, 따라서, 2개의 풍선이 상보적 단말 쌍(즉, λ1로 전송하고 λ2로 수신하는 하나의 단말과 λ2로 전송하고 λ1로 수신하는 다른 단말)을 가지는 것이 일반적으로 필요하다. 전이중 통신을 가능하게 하기 위한 이러한 광 통신 단말의 2개의 상보적 모드는 본원에서의 설명에서 편의상 "모드 A"와 "모드 B"라고 지칭될 수 있다. 모드 A에서, 주어진 단말은 λ1의 광을 전송하고 λ2의 광을 수신한다. 모드 B에서, 주어진 단말은 λ2로 전송하고 λ1의 광을 수신한다. 이와 같이, 단말(403a)은 모드 A 단말인 반면, 단말(407b)은 모드 B 단말이다.

이와 유사하게, 광 경로(416)를 통한 풍선들(402 및 410) 사이의 통신 링크는 λ2로 전송하고 λ1의 광을 수신하는 (따라서 모드 B 단말인) 단말(404b)과 λ1로 전송하고 λ2의 광을 수신하는 (따라서 모드 A 단말인) 단말(412a)에 의해 종단된다. 그리고, 광 경로(418)를 통한 풍선들(406 및 410) 사이의 통신 링크는 λ2로 전송하고 λ1의 광을 수신하는 (따라서 모드 B 단말인) 단말(408b)과 λ1로 전송하고 λ2의 광을 수신하는 (따라서 모드 A 단말인) 단말(411a)에 의해 종단된다. 상보적 광 통신 단말 쌍의 각각의 단말은 따라서 풍선들(402, 406, 410) 각각이 서로 간에 전이중 통신을 수행할 수 있게 한다.

도 4b는 광 통신 단말(420)의 간략화된 블록도이다. 광 통신 단말(420)은 개개의 단말들(403a, 404b, 407b, 408b, 411a, 412a) 중 임의의 것일 수 있다. 광 통신 단말(420)은 고정된 광학 컴포넌트들(422)로의 그리고 그로부터의 데이터 변조 레이저 광(428)을 광 경로(431)를 따라 (예컨대, 네트워크(400)에서의 다른 풍선에 있는) 다른 단말 쪽으로 지향시키도록 배열된 조향 거울(430)을 포함한다. 고정된 광학 컴포넌트들(422)과 조향 거울(430)은 다양한 광학 컴포넌트들(422)과 조향 거울의 상대 위치를 실질적으로 고정시키기 위해 프레임 또는 다른 구조적 특징부에 탑재될 수 있다.

조향 거울(430)은 단말(420)의 시야(field of view)(FOV로 라벨링된 영역)에 걸쳐 있는 다양한 방향으로부터의 착신 광(incoming light)(및 다양한 방향으로의 발신 광(outgoing light))을 지향시키도록 구성되어 있는 조절가능한 배향을 갖는 반사 표면일 수 있다. 조향 거울은 회전가능하게 탑재될 수 있고, 반사 표면을 회전축에 대해 피봇 회전(pivot)시키는 조절가능한 기계 컴포넌트들(예컨대, 스테퍼 모터(stepper motor) 등)을 포함할 수 있다. 고정된 광학 컴포넌트들(422)은 데이터 변조 광을 방출하는 하나 이상의 레이저 광원들(424)과 수신 광을 검출하는 하나 이상의 레이저 광 검출기들(426)을 포함한다. 검출기(들)(426)로부터의 신호는 이어서 수신 광의 변조에 따라 착신 데이터를 추출하는 데 사용될 수 있다. 모뎀이 출력 데이터를 데이터 변조 레이저 광에 매핑하는 데 그리고 또한 데이터 변조 수신 광(data modulated received light)을 입력 데이터에 매핑하는 데 사용될 수 있다.

고정된 광학 컴포넌트들(422)은 데이터 변조 레이저 광을 방향(431)(즉, 다른 단말 쪽으로의 광 경로)을 따라 전송하기 위해 레이저 광원(들)(424)으로부터의 방출 광을 조향 거울(430) 쪽으로 지향시킨다. 광학 컴포넌트들(422)은 또한 동일한 광축을 따라 착신 광을 수신하고 착신 광을 레이저 광 검출기(들)(426) 쪽으로 지향시키도록 구성되어 있다. 고정된 광학 컴포넌트들(422)이 착신하는 및 발신하는 데이터 변조 광(428) 둘 다에 대한 공유 광 경로를 제공하기 때문에, 조향 거울(430)은 전송될 방출 광을 방향(431)으로 지향시키는 데 그리고 또한 방향(431)으로부터의 착신 광을 검출기(들)(426) 쪽으로 지향시키는 데 사용될 수 있다. 방향 화살표(432)로 나타낸 바와 같이, 조향 거울(430)의 배향을 움직이는 것은 광 통신 단말(420)이 FOV(field of view) 내에서 다른 방향으로 단말과의 통신을 수행할 수 있게 하기 위해 반사 광(reflected light)의 방향을 변경한다. 실제로, 조향 거울(430)은 방위각(azimuthal angle)과 고도각(elevation angle) 둘 다를 따라 연장되는 시야를 제공하기 위해 다수의 축을 중심으로 피봇 회전(pivot)/회전(rotate)하도록 구성될 수 있다. 예를 들어, 광 통신 단말(420)은, 고정된 광학 컴포넌트들(422)에 들어가는/그로부터 나가는 데이터 변조 레이저 광(428)이 수직으로(예컨대, 지표면에 대략 수직으로) 지향되도록 그리고 조향 거울(430)이 유사한 고도에 있는 풍선들 사이의 광을 반사시키기 위해 대략 45도로 배향되도록, 풍선의 페이로드에 탑재될 수 있다. 광 단말(420)의 관점에서 볼 때, 조향 거울의 경사각(tilt angle)을 조절하는 것은 이어서 상이한 고도각을 제공할 수 있고, 데이터 변조 레이저 광(428)의 방향에 평행한 축을 중심으로 조향 거울(430)을 회전시키는 것은 상이한 방위각을 제공할 수 있다.

광원(들)(424) 및 광 검출기(들)(426)에 부가하여, 광 통신 단말(420)은 또한 광 경로를 제공하도록 정렬된 각종의 광학 요소들(예컨대, 렌즈, 필터, 반사체, 광섬유, 개구 등) 및 하나 이상의 하드웨어, 소프트웨어, 및/또는 펌웨어 구현 모듈들로 구현된 제어기를 포함할 수 있다. 제어기는 데이터를 전송 레이저 광(transmitted laser light)에 인코딩하도록, 수신 레이저 광(received laser light)으로부터 데이터를 디코딩하도록, 전송/수신 광을 특정의 광 경로와 정렬시키기 위해 조향 거울의 배향을 조절하도록, 기타를 하도록 구성될 수 있다. 선형 인코더(linear encoder) 및/또는 감광 어레이의 조사(illumination)를 통해 수신 광의 각도를 검출하는 도달각 센서와 같은, 조향 거울(430)의 배향을 표시하는 피드백 센서가 또한 포함될 수 있다.

시간이 흐름에 따라, 네트워크(400)의 구성이 다양한 이유로 재배열될 수 있다. 풍선의 위치가 서로에 대해 변할 때, 새로운 구성에 대응하기 위해 새로운 광 통신 링크가 형성될 수 있다. 더욱이, 네트워크(400)에서의 풍선들의 집단이 시간이 흐름에 따라 변할 수 있는데, 그 이유는 풍선들이 네트워크로부터 사용 중지(retire)하거나 LOS(line-of-sight) 광 연결을 하기에는 너무 멀리 떨어지게 이동하기 때문이고, 그리고/또는 풍선들이 네트워크(400)에 추가되거나 LOS(line-of-sight) 광 연결이 가능한 지역에 들어가기 때문이다. 앞서 살펴본 바와 같이, 임의의 2개의 풍선 사이의 전이중 광 통신 링크의 형성은 2개의 단말이 상보적 단말을 갖추고 있을 것을 필요로 한다(예컨대, 하나는 모드 A 단말이고 다른 단말은 모드 B 단말임). 임의의 풍선 쌍 사이의 이러한 광 링크의 형성을 용이하게 하기 위해, 광 통신 단말은 전이중 통신의 2개의 상보적 모드 사이에서(예컨대, 모드 A로부터 모드 B로 그리고 그 반대로) 변하도록 구성될 수 있다.

도 4c 및 도 4d에 도시된 바와 같이, 광 단말(420)은 조향 거울(430)의 배향을 조절하여 모드를 변경하도록 구성될 수 있다. 광 단말(420)은, 동작 모드에 따라, 조향 거울에 의해 주어진 광 경로와 선택적으로 정렬하도록 배열된 공간적으로 분리된 방출기들과 검출기들을 포함할 수 있다. 예를 들어, 광 단말은 조향 거울이 제1 배향을 가지는 동안 광을 공통의 방향으로/으로부터 전송/수신하는 제1 방출기/검출기 쌍을 포함할 수 있다. 광 단말은 또한 조향 거울이 제2 배향을 가지는 동안 광을 동일한 방향으로/으로부터 전송/수신하는 제2 방출기/검출기 쌍을 포함할 수 있다. 제1 방출기/검출기 쌍은 λ1로 전송하고 λ2로 수신할 수 있으며, 따라서 광 단말(420)은 조향 거울(430)이 제1 배향을 가지는 동안 모드 A에서 동작하도록 구성될 수 있고; 제2 방출기/검출기 쌍은 λ2로 전송하고 λ1로 수신할 수 있으며, 따라서 광 단말(420)은 조향 거울(430)이 제2 배향을 가지는 동안 모드 B에서 동작하도록 구성될 수 있다. 이와 같이, 단말(420)은 모드 A에서 동작할 때 사용되는 λ1 레이저 광원(442)과 λ2 검출기(444)를 그리고 또한 모드 B에서 동작할 때 사용되는 λ2 레이저 광원(450)과 λ1 검출기(452)를 포함할 수 있다.

도 4c는 전이중 통신의 제1 모드(예컨대, 모드 A)에서 동작하도록 정렬된 광 통신 단말(420)의 간략화된 블록도이다. 모드 A에서, 광 통신 단말(420)은 λ1로 전송하고 λ2로 수신하며, 조향 거울(430)은 고정된 광학 컴포넌트들로의/로부터의 데이터 변조 광(428)을 방향(431)으로(다른 단말 쪽으로) 지향시킨다. 광학 컴포넌트들은 λ1 광을 실질적으로 반사시키고 λ2 광을 실질적으로 투과시키는 이색성 빔 분할기(440)를 포함한다. 이색성 빔 분할기(440)는 그로써 광 단말(420)을 통한 파장 의존적 광 경로를 제공하고 그로써 전송되는 λ1 광(446)과 수신되는 λ2 광(448)을 분리시킨다. 이색성 빔 분할기(440)는 그로써 λ1 광(446)이, 수신되는 λ2 광(448)이 검출되는 위치와 공간적으로 구별되는 광 단말 내에 위치로부터, 방출될 수 있게 하지만, λ1 광과 λ2 광(428)이 이색성 빔 분할기(440)와 조향 거울(430) 사이의 공통의 광 경로를 따라(비록 반대 방향일지라도) 전파한다. 도 4c에서, 조향 거울(430)은 λ1 레이저 광원(442)으로부터의 데이터 변조 레이저 광(446)을 방향(431) 쪽으로 지향시키는 제1 배향을 갖는다. 이와 동시에, 조향 거울(430)은 방향(431)으로부터의 착신 λ2 광(448)을 λ2 검출기(444) 쪽으로 지향시킨다. 제1 배향에 있는 동안, 광 단말(420)은 모드 A에서 동작하고 방향(431)에 위치된 원격 단말과 전이중 통신을 수행하도록 구성되어 있다.

도 4d는 전이중 통신의 제2 모드에서 동작하도록 정렬된 광 통신 단말(420)의 간략화된 블록도이다. 모드 B에서, 광 통신 단말(420)은 λ2로 전송하고 λ1로 수신하며, 조향 거울(430)은 고정된 광학 컴포넌트들로의/로부터의 데이터 변조 광(429)을 방향(431)으로(다른 단말 쪽으로) 지향시킨다. 도 4d에서, 조향 거울(430)은 λ2 레이저 광원(452)으로부터의 데이터 변조 레이저 광(456)을 방향(431) 쪽으로 지향시키는 제2 배향을 갖는다. 이와 동시에, 조향 거울(430)은 방향(431)으로부터의 착신 λ1 광(454)을 λ1 검출기(450) 쪽으로 지향시킨다. 제2 배향에 있는 동안, 광 단말(420)은 모드 B에서 동작하고 방향(431)에 위치된 원격 단말과 전이중 통신을 수행하도록 구성되어 있다.

조향 거울(420)이 발신 및 착신 광을 모드 특정 방출기/검출기 쌍과 정렬시킬 수 있게 하고 이어서 단지 조향 거울(430)의 정렬을 변경하는 것에 의해 모드를 변경할 수 있게 하기 위해, 광 단말 내의 광 경로가 서로로부터 공통의 양만큼 각도적으로 오프셋된다. 즉, 단말(430) 내에서, (모드 A에서) λ1 레이저(442)와 조향 거울(430) 사이에서 발신 λ1 광이 지나가는 광 경로는 (모드 B에서) λ1 검출기(450)와 조향 거울(430) 사이에서 착신 λ1 광이 지나가는 광 경로로부터 각도적으로 분리되어 있다. 각도 분리는, 동작 모드에 따라, 조향 거울(430)의 조작을 통해 발신/착신 광이 교대로 λ1 레이저(442) 또는 λ1 검출기(450) 쪽으로 지향되게 할 수 있다. 이와 유사하게, (모드 B에서) λ2 레이저(452)와 조향 거울(430) 사이에서 발신 λ2 광이 지나가는 광 경로는 (모드 A에서) λ2 검출기(444)와 조향 거울(430) 사이에서 착신 λ2 광이 지나가는 광 경로로부터 각도적으로 분리되어 있다. 2개의 λ1 광 경로 사이의 각도 분리는 2개의 λ2 광 경로 사이의 각도 분리와 동일할 수 있다.

기술된 바와 같이 공통의 각도 분리를 달성하도록 레이저 광원들(442, 452), 검출기들(444, 450) 및 이색성 빔 분할기(440)를 배열하는 것에 의해, 단말(420)은 단지 조향 거울(430)을 움직이고 대응하는 광원과 검출기를 활성화시키는 것에 의해 동작 모드를 변경할 수 있다. 그 결과, 단말(420)이 단지 조향 거울을 움직이는 것에 의해 전이중 통신의 모드를 전환하도록 동적으로 재구성될 수 있고, 단말(420) 내의 나머지 광학 컴포넌트들은 고정된 채로 있을 수 있으며, 정렬이 유지될 수 있다. 이 배열은 그로써, 조향 거울(420) 이외의 광 단말 내의 어떤 컴포넌트도 조정하거나 조절함이 없이, 단말(420)이 동작 모드를 전환할 수 있게 한다.

실제로, 조향 거울(430)의 "제1 배향"과 "제2 배향"은 주어진 방향(431)에 대해 실질적으로 고정된 각도 배향일 수 있다. 그러나 (단말(420)의 시야 내에서) 임의의 방향에 있는 원격 단말과 통신하기 위해, 단말(420)은 거울을 일정 범위의 각도에 걸쳐 배향시켜 발신 및 착신 광을 그에 따라 지향시키도록 구성될 수 있다. 일반적으로, 자유 공간 광 전파의 주어진 방향(즉, 주어진 광 경로)에 대해, 조향 거울(430)의 2개의 상이한 가능한 배향이 있으며, 하나의 배향은 (모드 A 통신을 위해) 전송/수신 광을 λ1 방출기 및 λ2 검출기와 정렬시키고 다른 배향은 (모드 B 통신을 위해) 전송/수신 광을 λ2 방출기 및 λ1 검출기와 정렬시킨다. 광 단말은 따라서, 전이중 통신의 모드 및 광 경로의 방향에 기초하여, 조향 거울(430)의 배향을 선택하고 유지할 수 있는 제어 시스템을 포함할 수 있다.

어떤 경우에, 네트워크(400) 내의 개개의 광 통신 단말에 대한 동작 모드는 중앙 제어 시스템(예컨대, 도 2와 관련하여 기술된 제어 시스템(200))에 의해 할당될 수 있다. 다른 경우에, 링크를 형성하고 메시 네트워크를 구성하기 위해, 동작 모드가 네트워크(400) 내의 개개의 풍선들 사이의 초기 통신에 기초하여 애드혹 방식으로 설정될 수 있다.

4. 예시적인 전이중 광 통신 단말

도 5는 2개의 상이한 모드에서 교대로 동작하도록 배열된 예시적인 광 통신 단말(500)의 다이어그램이다. 광 통신 단말(500)은 일부 측면에서 앞서 기술된 광 통신 단말(420)과 유사할 수 있고, 앞서 기술된 네트워크에서의 풍선과 같은, 고고도 플랫폼의 페이로드에 탑재되도록 구성될 수 있다. 단말(500)은 조향 거울(502), λ1을 반사시키고 λ2를 투과시키며 그로써 파장에 기초하여 광을 분할하는 이색성 빔 분할기(518)를 포함한다. 도 5에서의 다이어그램은 교대로 있는 모드 A와 모드 B에서의 동작에 대응하는, 광 단말(500)을 통한 2개의 구별되는 광 경로를 나타내고 있다. 파선은, 모드 A에서의 동작 동안에 지나가게 되는, 전송되는 λ1 광의 광 경로 그리고 또한 수신되는 λ2 광의 광 경로를 나타낸다. 점선은, 모드 B에서의 동작 동안에 지나가게 되는, 전송되는 λ2 광의 광 경로 그리고 또한 수신되는 λ1 광의 광 경로를 나타낸다. 구별되는 광 경로들은 빔 조향 거울(502)의 상이한 배향들에 대응하고, 광 경로들이, 집속/평행화 광학계, 필터, 빔 분할기 등과 같은, 광학 컴포넌트들을 공유할 정도로 충분히 작은 양만큼 각도적으로 분리되어 있다. 그렇지만, 구별되는 경로들은 또한 경로들이 구별되는 동작 모드들을 가능하게 하도록 광 단말(500) 내의 공간적으로 분리된 위치들로의/로부터의 광을 지향시키기에 충분히 큰 양만큼 각도적으로 분리되어 있다.

4a) 파장 구분된 광 경로

광 단말(500)의 특징들이 일반적으로 착신 광을 참조하여 기술되지만, 광이 반대(발신) 방향으로도 전파할 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 다른 원격 단말로부터의 평행화된 광 빔들이 자유 공간 광 경로를 따라 단말(500) 쪽으로 전파하고, 착신 광을 중계 광학계(relay optics)(506) 쪽으로 지향시키는 조향 거울(500)에 의해 반사된다. 중계 광학계는 조향 거울(502)과 단말(500) 내의 나머지 광학계 컴포넌트들 사이에서 평행화된 광 빔들을 중계하는 하나 이상의 렌즈들, 반사체들, 개구들 등을 포함할 수 있다. 중계 광학계(506)는, 원하는 경우, 빔을 다른 크기로 스케일링하고 평행화된 빔을 빔 분할기(508) 쪽으로 출력할 수 있다. 빔 분할기(508)는 조향 거울(502)의 정렬을 제어하는 데 사용하기 위해 착신 광의 일부를 배향 피드백 센서(514) 쪽으로 방향 전환시키며, 이에 대해서는 이하에서 추가로 기술된다. 빔 분할기(508)는, 예를 들어, 착신 광의 약 2% 내지 5%를 방향 전환시킬 수 있으며, 나머지 광은 이색성 빔 분할기(518) 쪽으로 투과된다.

이색성 빔 분할기(518)는 파장 의존적 투과/반사 프로파일을 갖는 광학 요소일 수 있다. 어떤 경우에, 이색성 빔 분할기(518)는, 렌즈와 같은, 다른 광학 요소에 도포되는 파장 의존적 코팅에 의해 구현될 수 있다. 이색성 빔 분할기(518)는 파장 λ2를 가지는 광은 실질적으로 투과시키면서 파장 λ1을 가지는 광은 실질적으로 반사시킬 수 있다. 이색성 빔 분할기(518)는 따라서 착신 광이, 파장에 따라, 상이한 광 경로를 지나가게 한다. 파장 λ1을 가지는 광은 중계 광학계(506)의 광축에 대해 실질적으로 횡방향인 브랜치(branch)에 들어갈 수 있고, 파장 λ2를 가지는 광은 중계 광학계의 광축에 평행한 브랜치로 계속될 수 있다.

λ1 브랜치를 따라, 광은 다른 파장들을 가지는 광을 차단시키는 데 도움을 주는 필터(520)를 통과한다. 필터(520)는 λ1을 포함하는 일정 범위의 파장을 투과시킬 수 있다. 필터(520)는 또한 λ2 광을 실질적으로 차단시킬 수 있고, 이는 광 단말(500)의 다른 브랜치 상의 광으로부터의 크로스토크(cross talk)를 완화시키는 데 도움을 준다. 필터링된 λ1 광은 이어서 검출 위치(524)를 조사하기 위해 집속 광학계(522)에 의해 집속된다. 집속 광학계(522)는, 점선으로 나타낸 바와 같이, 단말이 모드 B에서 동작하는 동안 λ1 광의 평행화된 빔을 검출 위치(524) 상으로 집속시키기 위해 적당한 초점 거리(focal length)를 갖는 렌즈를 포함할 수 있다. 검출 위치(524)는, 예를 들어, 광섬유 연결을 통해 λ1 검출기(542)(예컨대, 애벌런치 광 다이오드 등)에 광학적으로 결합될 수 있다. 일부 예에서, 검출 위치(524)는 λ1 검출기(542)에 연결되는 광섬유 케이블을 종단시키는 페룰(ferrule)에서의 개구에 의해 구현될 수 있다.

반대의 광 전파 방향에서, λ1 레이저(544)로부터의 광은 방출 위치(526)에 광섬유로 결합된다. 파선으로 도시된 바와 같이, 모드 A에서, 방출 위치(526)로부터 방출되는 λ1 광은, 방출 광을 평행화시키고 광을 다시 필터(520)를 통해 이색성 빔 분할기(518) 쪽으로 지향시키는 집속 광학계(522) 쪽으로, 전파하고, 여기서 λ1 광은 자유 공간 광 경로를 통한 전송을 위해 (중계 광학계(506)를 거쳐) 조향 거울(502) 쪽으로 반사된다. 방출 위치(526)는 λ1 레이저(544)에 연결되는 광섬유 케이블을 종단시키는 페룰에서의 개구에 의해 구현될 수 있다. 어떤 경우에, 검출 위치(524) 및 방출 위치(526)는 듀얼 코어 광섬유 페룰(dual core fiber ferrule)에 의해 구현될 수 있고, 각자의 광 신호는 이어서 광섬유 내의 각자의 코어를 거쳐 λ1 검출기(542) 및 λ1 레이저(544)로 전달될 수 있다.

착신 광을 다시 참조하면, (이색성 빔 분할기(518)를 통해 투과되는 λ2 광으로부터의) λ2 브랜치를 따라, 광이 다른 파장들을 가지는 광을 차단시키는 데 도움을 주는 필터(528)를 통과한다. 필터(528)는 λ2를 포함하는 일정 범위의 파장을 투과시킬 수 있다. 필터(528)는 또한 λ1 광을 실질적으로 차단시킬 수 있고, 이는 광 단말(500)의 다른 브랜치 상의 광으로부터의 크로스토크를 완화시키는 데 도움을 준다. 필터링된 λ2 광은 이어서 검출 위치(534)를 조사하기 위해 집속 광학계(530)에 의해 집속된다. 집속 광학계(530)는, 파선으로 나타낸 바와 같이, 단말(500)이 모드 A에서 동작하는 동안 λ2 광의 평행화된 빔을 검출 위치(530) 상으로 집속시키기 위해 적당한 초점 거리를 갖는 렌즈를 포함할 수 있다. 검출 위치(530)는, 예를 들어, 광섬유 연결을 통해 λ2 검출기(548)(예컨대, 애벌런치 광 다이오드 등)에 광학적으로 결합될 수 있다. 일부 예에서, 검출 위치(534)는 λ2 검출기(548)에 연결되는 광섬유 케이블을 종단시키는 페룰에서의 개구에 의해 구현될 수 있다.

반대의 광 전파 방향에서, λ2 레이저(546)로부터의 광은 방출 위치(532)에 광섬유로 결합된다. 점선으로 도시된 바와 같이, 모드 B에서, 방출 위치(532)로부터 방출되는 λ2 광은, 방출 광을 평행화시키고 광을 다시 필터(528)를 통해 이색성 빔 분할기(518) 쪽으로 지향시키는 집속 광학계(530) 쪽으로, 전파하고, 여기서 λ2 광은 자유 공간 광 경로를 통한 전송을 위해 (중계 광학계(506)를 거쳐) 조향 거울(502) 쪽으로 투과된다. 방출 위치(532)는 λ2 레이저(546)에 연결되는 광섬유 케이블을 종단시키는 페룰에서의 개구에 의해 구현될 수 있다. 어떤 경우에, 검출 위치(534) 및 방출 위치(532)는 듀얼 코어 광섬유 페룰에 의해 구현될 수 있고, 각자의 광 신호는 이어서 광섬유 내의 각자의 코어를 거쳐 λ2 검출기(548) 및 λ2 레이저(546)로 전달될 수 있다.

4b) 배향 피드백

앞서 살펴본 바와 같이, 광 단말(500)은 또한 조향 거울(502)에 의해 반사된 후에 빔 분할기(508)에 의해 방향 전환되는 착신 광의 일부분을 검출하는 배향 피드백 센서(514)를 포함한다. (빔 분할기(508)에 입사하는 광의 약 2% 내지 5%일 수 있는) 방향 전환된 광은 (λ1 광과 λ2 광 둘 다는 통과시키고 다른 파장들의 광은 차단시킬 수 있는) 필터(510)를 통과하고, 이어서 집속 광학계(512)에 의해 배향 피드백 센서(514) 상에 집속된다. 배향 피드백 센서(514)는, 어레이를 조사하는 광의 패턴에 기초하여 전기 신호를 발생시키는 광 다이오드들의 어레이와 같은, 감광 어레이(516)를 포함할 수 있다. 모드 A에서, 파선으로 표시된 바와 같이, 원격 단말로부터 수신되는 λ2 광은 감광 어레이(516)를 조사한다. 모드 B에서, 점선으로 표시된 바와 같이, 원격 단말로부터 수신되는 λ1 광은 감광 어레이(516)를 조사한다.

조사되는 감광 어레이(516) 상의 위치는 입사 광의 도달각에 의존한다. 이와 같이, 감광 어레이(516)를 사용하여 검출되는 조사 패턴(illumination pattern)은 조향 거울(502)의 배향을 결정하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 감광 어레이(516) 상에 집속되는 광의 중심 위치가 결정될 수 있고, 조향 거울(502)의 배향이 중심 위치에 기초하여 결정될 수 있다. 이러한 결정이, 예를 들어, 측정된 조사 패턴을 나타내는 신호를 배향 피드백 센서(514)로부터 수신하는 제어기(550)를 사용하여 행해질 수 있다. 배향 피드백 센서(514)로부터의 신호에 기초하여, 제어기(550)는 조향 거울(502)의 배향을 조절하도록 그리고 입사 광을 원하는 방식으로 정렬하도록 거울 위치 결정 시스템(504)에 대한 명령들을 발생시킬 수 있다. 더욱이, 단말(500) 내의 광학 컴포넌트들이 (예컨대, 공통의 프레임 구조물에 탑재되는 것에 의해) 서로에 대해 고정되어 있기 때문에, 감광 어레이(516) 쪽으로 방향 전환되는 광의 상이한 중심 위치들은 λ1 브랜치 또는 λ2 브랜치로 계속되는 광의 상이한 정렬들에 대응한다. 상세하게는, 입사 광이 단말(500)이 모드 A 또는 모드 B에서 동작하는 정렬에 대응하는, 감광 어레이(516) 상의 2개의 특정 목표 위치가 있다.

예를 들어, 방향 전환된 λ1 광이, 점선들이 감광 어레이(516) 상에 수렴하는, B로 표시된 위치 상에 집속될 때, 빔 분할기(508)에 의해 방향 전환되지 않는 λ1 광은 검출 위치(524)를 조사하도록 정렬되고, 그와 동시에 방출 위치(532)로부터 방출되는 λ2 광은 (조향 거울(502)을 거쳐) λ1 광이 수신되는 동일한 방향으로(즉, 원격 단말 쪽으로) 전파하도록 지향된다. 이와 같이, 목표 위치 B는 모드 B에서의 단말(500)의 동작과 연관된 감광 어레이(516) 상의 위치일 수 있다. 이와 유사하게, 방향 전환된 λ2 광이, 파선들이 감광 어레이(516) 상에 수렴하는, A로 표시된 위치 상에 집속될 때, 빔 분할기(508)에 의해 방향 전환되지 않는 λ2 광은 검출 위치(534)를 조사하도록 정렬되고, 그와 동시에 방출 위치(526)로부터 방출되는 λ1 광은 (조향 거울(502)을 거쳐) λ2 광이 수신되는 동일한 방향으로(즉, 원격 단말 쪽으로) 전파하도록 지향된다. 이와 같이, 목표 위치 A는 모드 A에서의 단말(500)의 동작과 연관된 감광 어레이(516) 상의 위치일 수 있다. 목표 위치 A와 목표 위치 B는 감광 어레이(516) 상의 실질적으로 고정된 위치일 수 있고, 교정 절차에 기초하여 결정될 수 있다. 일부 예에서, 2개의 목표 위치(A 및 B)는 단일의 감광 어레이(예컨대, 감광 어레이(516)) 상의 위치일 수 있다. 그렇지만 일부 예에서, 배향 피드백 센서(514)는 목표 위치 A와 목표 위치 B 각각에 위치된 2개의 구별되는 감광 어레이를 포함할 수 있다.

4c) 제어기

제어기(550)는 조향 거울(502)의 배향을 조절하기 위해 감광 어레이(516)를 조사하는 광의 측정을 사용하도록 구성될 수 있다. 제어기(550)는 감광 어레이를 조사하는 광의 중심 위치가, 동작 모드에 따라, 2개의 목표 위치들 중 하나에 더욱 가깝게 이동하도록 조향 거울(502)이 조절되게 할 수 있다. 예를 들어, 제어기(550)는 감광 어레이(516) 상의 조사 패턴의 측정을 획득하고, 조사 패턴을 원하는 목표 위치에 더욱 가깝게 이동시키게 될 조향 거울(502)의 배향에 대한 조절을 결정하며, 그에 따라 위치 결정 시스템(504)에 지시할 수 있다. 더욱이, 제어기(550)는 조향 거울(502)을 조절하고 그로써, 예를 들어, 원격 단말의 상대 운동(relative movement)으로 인한 입사 광의 방향의 미묘한 변화를 추적하기 위해 지속적으로 동작할 수 있다.

일 예에서, 제어기(550)는 시스템 버스 또는 하나 이상의 다른 연결 메커니즘들(562)에 의해 서로 통신가능하게 연결될 수 있는, 처리 유닛(552), 데이터 저장소(556), 및 하나 이상의 입출력 포트들(554)을 포함할 수 있다. 데이터 저장소(556)는 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체를 포함할 수 있고, 위치 데이터(558) 및 동작 명령어들(560)을 포함한다. 명령어들(560)은, 예를 들어, 처리 유닛(552)에 의해 실행될 때, 제어기(550)로 하여금 본원에 기술되는 기능들을 수행하게 하는 프로그램 논리를 포함할 수 있다. 이와 같이, 명령어들(560)은 제어기(550)로 하여금 배향 피드백 센서(514)로부터의 데이터에 기초하여 조향 거울(502)의 배향에 대한 조절을 결정하게 하고 거울 위치 결정 시스템(504)에 대한 대응하는 명령어들을 발생시키게 할 수 있다. 위치 데이터(558)는 전이중 통신의 2개의 상이한 모드들에 대응하는 감광 어레이 상의 특정의 목표 위치들의 저장된 표시들을 포함할 수 있다. 위치 데이터(558)는 따라서, 예를 들어, 교정 절차 동안 설정될 수 있다. 입출력 포트들(554)은 배향 피드백 시스템(514)으로부터 데이터를 수신하고 또한 명령 명령어(command instruction)들을 거울 위치 결정 시스템(504)에 제공하는 기능을 한다.

그에 부가하여, 제어기(550)는, 어쩌면 다른 엔티티들과 협력하여, 중앙 제어기(또는 다른 엔티티)로부터 모드 선택 명령들을 수신하고 단말(500)로 하여금 그 자신을 그에 따라 (예컨대, 대응하는 목표 위치와 정렬시키는 것에 의해) 구성하게 하는 기능을 할 수 있다.

게다가, 제어기(550)는, 어쩌면 다른 엔티티들과 협력하여, 데이터를 송신하고 수신하기 위해 단말을 작동시키는 기능을 할 수 있다. 제어기(550) 및/또는 모뎀(540)은, 모드 A에 있는 동안, 자유 공간 광 링크를 통해 전송하기 위한 출력 데이터를 수신하고 λ1 레이저(544)로 하여금 출력 데이터에 따라 변조되는 광을 방출하게 할 수 있다. 그와 동시에, 제어기(550) 및/또는 모뎀(540)은 λ2 검출기(548)에 의해 검출된 광의 변조에 기초하여 입력 데이터를 추출할 수 있다. 이와 유사하게, 제어기(550) 및/또는 모뎀(540)은, 모드 B에 있는 동안, 자유 공간 광 링크를 통해 전송하기 위한 출력 데이터를 수신하고 λ2 레이저(546)로 하여금 출력 데이터에 따라 변조되는 광을 방출하게 할 수 있다. 그와 동시에, 제어기(550) 및/또는 모뎀(540)은 λ1 검출기(542)에 의해 검출된 광의 변조에 기초하여 입력 데이터를 추출할 수 있다.

단말(500)이 일반적으로 파장 λ1의 광 신호 및 파장 λ2의 광 신호와 관련하여 기술되어 있지만, 2개의 파장이 일정 범위의 상이한 값들을 가질 수 있다는 것을 잘 알 것이다. 어떤 경우에, 대기 내에서 용이하게 흡수되지 않는 파장들이 선택될 수 있다. 예를 들어, λ1은 약 1540 나노미터일 수 있고, λ2는 약 1560 나노미터일 수 있다. 물론, 다른 예에서, λ1은 1560일 수 있고 λ2는 1540일 수 있으며, 따라서 2개의 파장 중 큰 쪽이, 단말(500)의 λ1 브랜치를 따라, 횡방향으로 방향 전환된다. 그렇지만, 자외선, 가시 및 근적외선 스펙트럼에서의 많은 다른 파장들이 또한 선택될 수 있다. 그에 부가하여, λ1 및 λ2의 주어진 값들에 대해, 다양한 필터(510, 520, 528), 레이저(542, 546), 검출기(544, 548), 및 이색성 빔 분할기(518)는 본원에 기술되는 파장 특정 거동(레이저 발생 매체(lasing media), 광 다이오드, 코팅 등의 선택을 포함함)을 달성하도록 선택될 수 있다. 더욱이, 배향 피드백 센서(514)의 감광 어레이(516)는 수신 파장(received wavelength)의 검출에 적당한 기술로 구현될 수 있다. 일 예로서, 인듐 갈륨 비화물(InGaAs) 요소를 포함하는 광 다이오드로 형성되는 센서 어레이는 (예컨대, 1550 나노미터를 중심으로 한 대역에서의) 에르븀 도핑된 고상 레이저 다이오드(solid state laser diode)로부터의 광의 검출에 적당할 수 있다. 각종의 물질로 도핑된YAG(yttrium aluminum garnet)를 포함하는 레이저 발생 매체를 가지는 레이저 다이오드로 구현되는 1000 나노미터를 중심으로 한 대역에서의 파장을 비롯한, 많은 다른 예가 가능하다.

4d) 대안의 배향 피드백 센서

도 6은 다른 예시적인 광 통신 단말(600)의 다이어그램이다. 단말(600)은 일부 측면에서 도 5와 관련하여 앞서 기술된 단말(500)과 유사하고, 상이한 풍선들 사이에 자유 공간 광 통신 링크를 제공하기 위해 네트워크에서의, 풍선과 같은, 고고도 플랫폼의 페이로드에 탑재될 수 있다. 그렇지만, 단말(600)은 앞서 기술된 배향 피드백 센서에 대한 대안의 배열을 포함한다. 단말(600)은 대략 위치 센서(coarse position sensor)(624) 및 미세 위치 센서(fine position sensor)(614)를 포함하며, 그 각각은 빔 분할기(508)에 의해 방향 전환되고 필터(510)를 통과하는 광의 일부를 수신한다. 도 6에 예시된 예시적인 구성에서, 제2 빔 분할기(610)는 빔 분할기(508)로부터의 착신 광의 빔을 분할하고 일부는 미세 위치 센서(614) 쪽으로 반사시키고 일부는 대략 위치 센서(624) 쪽으로 투과시킨다. 빔 분할기(610)는 약 1/2이 각각의 방향으로 가도록 광을 분할할 수 있지만, 다른 가능한 경우들이 이용된다(예컨대, 40/60, 30/70 등). 일부 예에서, 단말(600)은, 각각의 센서가 조향 거울(502)에 의해 반사되는 적어도 일부 광을 수신하도록, 단말(600)의 광 경로를 따라 각종의 상이한 위치들에 위치되는 미세 위치 센서(614)와 대략 위치 센서(624)로 구현될 수 있다. 그에 따라, 미세 위치 센서(614)와 대략 위치 센서(624)는 조향 거울(502)의 배향 그리고 따라서 단말(600)의 동작 모드에 관한 피드백을 제공하는 데 사용될 수 있다.

집속 광학계(622)는 광을 대략 위치 센서(624)의 감광 어레이(626) 상에 집속시키고, 집속 광학계(612)는 광을 미세 위치 센서(614)의 감광 어레이(616) 상에 집속시킨다. 감광 어레이들(616, 626) 각각은 모드 A에서의 동작 또는 모드 B에서의 동작에 대한 정렬과 연관된 목표 위치를 가진다. 대략 위치 센서(624)는 대략적인 배향 피드백(coarse orientation feedback)을 조향 거울(502)에 제공하는 데 사용되고, 미세 위치 센서(614)는 배향의 미세 조정을 제공하는 데 사용된다. 대략 위치 센서(624)로 검출될 수 있는 입사 광의 각도는 따라서 미세 위치 센서(614)에 의해 검출될 수 있는 입사 광의 각도보다 더 큰 범위에 걸쳐 있을 수 있지만, 그보다 더 대략적인 세분성(coarser granularity)을 갖는다. 일반적으로, 위치 센서들(614, 624) 중 어느 하나에 의해, 검출될 수 있는 각도 범위(angular span), 및 특정의 각도가 분해될 수 있는 정도 둘 다는 각자의 집속 광학계(622, 612) 그리고 각자의 감광 어레이(616, 626)의 크기 및 분해능에 의존한다. 예를 들어, 감광 어레이(616, 626)는 실질적으로 유사할 수 있지만, 집속 광학계(622)는 비교적 짧은 초점 거리를 가질 수 있으며, 이는 감광 어레이(614)가 광학계(622)에 더욱 가깝게 위치될 수 있게 하고 더욱 큰 각도 범위의 입사 광이 감광 어레이(626)를 조사할 수 있게 한다. 이와 달리, 집속 광학계(612)는 비교적 긴 초점 거리를 가질 수 있으며, 이는 감광 어레이(616)가 더욱 멀리 떨어져 위치될 수 있게 하고, 더욱 작은 각도 범위의 입사 광이 감광 어레이(616)를 조사할 수 있게 한다 - 그러나 각도의 분해능은 더욱 크다 -.

일부 예에서, 대략 위치 센서(624)는 입사 광이 미세 위치 센서(614)의 감광 어레이(616)를 조사하게 하는 데 충분한 정확도로 조향 거울(502)을 정렬시키는 데 주로 사용될 수 있다. 더욱이, 일부 예에서, 단말(600)은 또한 1차적인 대략 조향 거울(coarse-steering mirror)(예컨대, 조향 거울(502))에 의해 반사되는 광을 수신하는 단말의 광 경로에 부가의 미세 조향 거울을 포함할 수 있다. 이러한 배열에서, 대략 조향 거울은 대략 위치 센서로부터 배향 피드백을 수신할 수 있다. 대략 위치 센서는 이어서 입사 광이 미세 조향 거울에 의해 반사되도록 대략 조향 거울을 배향시키는 데 사용될 수 있다. 미세 조향 거울은 이어서 미세 조향 거울에 의해 반사되는 광을 수신하도록 위치되어 있는 미세 위치 센서로부터 배향 피드백을 수신할 수 있다.

다른 예에서, 2개의 감광 어레이(616, 626)는 상이한 구성을 가질 수 있다. 예를 들면, 미세 위치 센서 어레이(616)는 4개의 픽셀 검출기들의 교차점 또는 다른 위치 감지 검출기에 대한 입사 빔의 위치를 검출하는 쿼드 셀 검출기(quad cell detector)일 수 있다. 대략 위치 센서 어레이(626)는, 영상 촬영 응용분야에서 이용되는 것과 유사한 픽셀 검출기들의 2차원 어레이와 같은, 보다 큰 시야를 갖는 감광 어레이일 수 있다. 더욱이, 미세 위치 센서 어레이(616)(예컨대, 쿼드 셀 검출기)는 대략 위치 센서 어레이(626)보다 비교적 더 높은 판독 속도(read-out rate)로 작동될 수 있고, 따라서 보다 빈번한 피드백이 조향 거울(502)의 배향을 조절하는 것을 가능하게 할 수 있다.

위치 센서들(624, 614) 둘 다로부터의 피드백은 측정된 광의 위치를 모드 특정 목표 위치(예컨대, 도 6에서 A와 B로 라벨링된 위치)와 정렬시키기 위해 조향 거울(502)의 배향에 대한 조절을 결정하고 그에 따라 거울 위치 결정 시스템(504)에 지시하기 위해 제어기(650)에 제공될 수 있다. 일부 예에서, 초기 링크를 형성할 때, 제어기(600)는 처음에 착신 광의 중심 위치가 미세 위치 센서(614) 상에서 검출될 수 있는지를 검사할 수 있다. 그렇지 않은 경우, 예컨대, 초기 정렬이 너무 많이 오프셋되어 미세 위치 센서(614)에 도달할 수 없는 경우, 제어기(600)는 대략 위치 센서(624)로부터의 정보에 기초하여 조향 거울(502)의 배향을 조절하기 시작하고 이어서 검출된 중심 위치가 대략 위치 목표 위치(coarse position target location) 근방에 있으면 미세 위치 센서(614)를 사용하는 것으로 전환할 수 있다. 어떤 경우에, 대략 위치 센서(624) 및/또는 미세 위치 센서(614)는 다수의 구별되는 감광 검출기를 포함할 수 있고, 하나의 검출기는, 앞서 기술된 배향 피드백 센서(514)와 유사하게, 각자의 모드 특정 목표 위치에 위치된다. 예를 들어, 미세 위치 센서 어레이(616)는 2개의 쿼드 셀 검출기 - 하나는 목표 위치 A에 있고 하나는 목표 위치 B에 있음 - 를 포함할 수 있다. 게다가, 제어기(650)는 2개의 위치 센서(614, 624)로부터의 측정들의 조합을 동시에 사용하도록 구성될 수 있다.

4e) 정렬 레이저

도 7은 다른 예시적인 광 통신 단말(700)의 다이어그램이다. 단말(700)은 일부 측면에서 도 5와 관련하여 앞서 기술된 단말(500)과 유사하고, 상이한 풍선들 사이에 자유 공간 광 통신 링크를 제공하기 위해 네트워크에서의, 풍선과 같은, 고고도 플랫폼의 페이로드에 탑재될 수 있다. 그렇지만, 단말(700)은 λ1 및 λ2 둘 다와 상이한 제3 파장 λ3으로 광을 방출하는 정렬 레이저 광원(728)을 포함한다. 다른 이색성 요소(710)는 λ1 광 및 λ2 광은 실질적으로 투과시키고, λ3 광은 실질적으로 반사시킨다. 이색성 요소(710)는 중계 광학계(506)로부터의 착신 광을 수신하고 그로써 착신 λ3 광을 λ1 브랜치 및 λ2 브랜치와 구별되는 λ3 광 경로를 따라 방향 전환시키도록 배치된다. 방향 전환된 λ3 광은 λ3 광을 선택적으로 투과시키는 필터(712)를 통과하고, 이어서 빔 분할기(720)는 착신 λ3 광의 일부가 배향 피드백 센서(716) 쪽으로 통과할 수 있게 한다. 빔 분할기(720)는 λ3 레이저 광원(728)으로부터의 광을 전송을 위해, 이색성 요소(710), 중계 광학계(506), 및 조향 거울(502)을 거쳐, 원격 단말 쪽으로 지향시킨다.

정렬 레이저(728)는 광섬유를 통해 방출 위치(726)에 임의로 결합된다. 광학계(724)는 방출 위치(726)로부터의 λ3 광을 평행화시키고 광을 빔 분할기(720) 쪽으로 지향시킨다. 빔 분할기(720)는 λ3의 광을 부분적으로 반사시키고 λ3의 광을 부분적으로 투과시키는 광학 요소일 수 있다. 앞서 살펴본 바와 같이, 빔 분할기(720)는 단말(700)로부터 전송될 λ3 광의 적어도 일부를 방향 전환시키고, 또한 (원격 단말로부터의) 일부 착신 λ3 광을 배향 피드백 센서(716) 쪽으로 통과시킬 수 있다.

λ3 브랜치에 들어간 후에, 착신 λ3 광은 필터(712)를 통과하고 집속 광학계(714)에 의해 배향 피드백 센서(716)의 감광 어레이(718) 상에 집속된다. 배향 피드백 센서(716)는, 감광 어레이(718)가 λ1 및 λ2보다는 λ3의 광을 검출하도록 구성되어 있는 것을 제외하고는, 도 5와 관련하여 기술된 배향 피드백 센서(514)와 유사할 수 있다. 배향 피드백 센서(716)는 감광 어레이(718)를 조사하는 측정된 λ3 광을 나타내는 신호를 제어기(750)에 제공한다. 그리고 제어기(750)는 조사하는 광의 중심 위치가 모드 특정 목표 위치(예컨대, 도 7에서 A와 B로 라벨링된 장소)와 정렬되게 하도록 조향 거울(502)의 배향을 조절하기 위해 거울 위치 결정 시스템(504)을 작동시킬 수 있다.

이색성 요소(710)는 적어도 일부 착신 λ3 광을 배향 피드백 센서(716) 쪽으로 방향 전환시키지만 λ3 레이저로부터의 적어도 일부 발신 λ3 광을 여전히 투과시키는 것 그리고 또한 λ1의 광 및 λ2의 광 모두를 실질적으로 투과시키는 것 둘 다를 하도록 구성되어 있다. 이색성 요소(710)는 따라서 λ3를 선택적으로 반사시키고 λ3 광을 반사 부분과 투과 부분으로 분할하는 층으로 부분적으로 코팅된 광학계에 의해 구현될 수 있다. 더욱이, 2개의 이색성 요소(710, 720)가 λ3을 (적어도 부분적으로) 반사시키고 λ1 및 λ2를 투과시키는 물품으로서 예시되어 있지만, 일부 실시예는 λ3은 투과시키고 λ1 및 λ2는 반사시키는 이색성 요소를 포함할 수 있으며, 이 경우에 λ1 및 λ2 광 경로는 중계 광학계(506)의 광축에 대해 횡방향으로 지향될 수 있다. 이와 유사하게, 정렬 레이저 방출 위치(726) 또는 배향 피드백 센서(716) 중 어느 하나가 중계 광학계의 광축에 평행하게 위치될 수 있다. 그렇지만, 일반적으로, 이색성 요소(710, 720)는 λ3 광이 단말(700)을 통한 상이한 광 경로를 지나가게 하지만 조향 거울(502)에 의해 반사되는 λ1 및 λ2의 투과/반사 광과 여전히 정렬되도록 배열되어 있다.

통신 파장(예컨대, λ1 및 λ2)과 상이한 파장(예컨대, λ3)을 가지는 별도의 정렬 레이저를 사용하는 것은 몇몇 이점들을 가능하게 할 수 있다. 배향 피드백 센서(716)를 조사하는 λ3 광의 출력(power)은, 단말(500) 및 단말(600)에서와 같이, 통신 신호에서의 전력을 희생하여 얻어지는 것이 아닐 수 있다. 비통신 파장에서의 정렬 센서를 분리시키는 것은 배향 피드백 센서(716)에 제공되는 λ3 광의 신호대 잡음(signal to noise)이 통신 신호의 신호대 잡음과 실질적으로 무관하도록 할 수 있다.

그에 부가하여, 감광 어레이(718)는, 통신 파장과 무관하게, λ3의 광에 민감한 광 다이오드를 제공하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 1550 나노미터 근방의 대역에서의 통신 파장에서조차도, 정렬 레이저는 904 나노미터에 있을 수 있고, 감광 어레이(718)는, InGaAs보다는, 광 다이오드의 CMOS(complementary metal oxide semiconductor) 어레이를 사용하여 구현될 수 있다.

일반적으로, 본원에 기술되는 광 통신 단말의 다양한 특징들이 각종의 상이한 방식들로 결합될 수 있다. 예를 들면, 광 통신 단말은 도 6과 관련하여 기술된 단말(600)의 대안의 배향 피드백 센서 배열을 도 7과 관련하여 기술되는 별도의 정렬 레이저와 함께 둘 다를 포함하도록 구현될 수 있다.

그에 부가하여, 도 5 내지 도 7의 다이어그램에 구체적으로 예시되어 있지는 않지만, 광 단말들(500, 600, 700) 각각은 또한 다양한 광학 컴포넌트들이 탑재되는 프레임, 하우징, 또는 다른 구조적 특징부를 포함한다. 프레임 구조물은, 모드 A 및 모드 B의 파장 특정 경로들이 서로 정렬된 채로 있도록, 각각의 광학 컴포넌트(예컨대, 렌즈, 이색성 요소, 반사체, 방출 위치, 검출 위치 등)의 상대 간격, 배향, 및/또는 위치를 유지할 수 있다.

5. 예시적인 동작

도 8은 예시적인 실시예에 따른, 광 통신 단말을 작동시키는 예시적인 프로세스(800)의 플로우차트이다. 도 8에 예시된 프로세스(800)는 본원에 기술되는 광 통신 단말들 중 임의의 것에 의해 단독으로 또는, 풍선에 또는 지상 스테이션에 위치되는 제어기와 같은, 하드웨어 및/또는 소프트웨어 구현 기능 모듈과 결합하여 구현될 수 있다. 블록(802)에서, 광 통신 단말은 방출 λ1 광을 주어진 방향으로 지향시키면서 또한 동일한 방향으로부터의 입사 λ2 광을, λ2 검출기를 조사하도록, 지향시키기 위해 그의 조향 거울을 배향시키는 것에 의해 모드 A에서 동작하도록 구성되어 있다. 예를 들어, 광 통신 단말은 입사 λ2 광(또는 정렬을 위해 사용되는 다른 파장의 광)의 일부분에 의해 조사되고, 배향 피드백 센서를 조사하는 광을 목표 위치와 정렬시키도록 거울을 배향시키기 위해, 위치 결정 시스템에 피드백을 제공하는 배향 피드백 센서를 포함할 수 있다.

블록(804)에서, 광 통신 단말은 λ1의 데이터 변조 광을 전송하고 λ2의 데이터 변조 광을 수신하는 것에 의해 모드 A에서 전이중 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 모뎀은 출력 데이터에 대응하는 특정의 변조 패턴을 갖는 광을 방출하라고 λ1 레이저에 지시하는 것에 의해 출력 데이터를 전송 λ1 광에 인코딩하기 위해서도 사용될 수 있다. 모뎀은 또한 수신 λ2 광의 변조 패턴을 검출하는 것 및 변조 패턴에 대응하는 입력 데이터를 식별하는 것에 의해 수신 λ2 광으로부터 데이터를 추출(디코딩)할 수 있다.

블록(806)에서, 광 통신 단말은 모드 A로부터 모드 B로 변경하기로 결정할 수 있다. 이 결정은 다른 풍선과 광 링크를 개시하라고 광 통신 단말에 지시하는 중앙 제어기 또는 다른 풍선으로부터의 명령어들에 기초하여 행해질 수 있다. 이러한 명령어들은 다른 풍선의 대략적인 좌표(예컨대, GPS 좌표) 및 각각의 풍선의 동작 모드를 명시하는 각각의 풍선에 대한 정보를 포함할 수 있다. 이 결정은 또한, 광 통신 단말에 의해 단독으로 행해진 결정을 비롯한, 다른 인자들에 기초하여 행해질 수 있다. 예를 들어, 광 통신 단말은 다른 근방의 단말들의 상대 위치(들)에 관한 브로드캐스트된 정보를 (어쩌면 무선 링크를 통해) 수신할 수 있고, 이어서 정렬을 위해 사용할 광 신호를 탐색하는 것(그리고 또한 정렬을 위해 사용할 광 신호를 전송하는 것)에 의해 단말들 중 특정의 단말과 광 링크를 설정하려고 시도할 수 있다. 단말은 이어서 하나의 모드에서 통신을 수행하기 위해 그 자신을 정렬시킬 수 있고, 얼마간의 기간 후에 성공하지 못한 경우, 모드를 전환할 수 있다. 광 메시 네트워크는 그로써 중앙 제어기에 의해 완전히 계획되지 않은 유기적 방식으로 전이중 통신을 제공하기 위해 상보적 동작 모드를 설정하도록 그 자신을 구성할 수 있다.

블록(808)에서, 광 통신 단말은 방출 λ2 광을 주어진 방향으로 지향시키면서 또한 동일한 방향으로부터의 입사 λ1 광을, λ1 검출기를 조사하도록, 지향시키기 위해 그의 조향 거울을 배향시킬 수 있다. 이와 같이, 광 통신 단말은 블록(806)에서 행해진 결정에 응답하여 모드 B에서 동작하도록 그 자신을 구성할 수 있다. 예를 들어, 중앙 네트워크 제어기로부터의 명령어들에 기초하여, 풍선의 제어 시스템은 명시된 위치 쪽을 가리키도록 그의 광 통신 단말들 중 하나를 배향시키고 정렬을 위해 광 신호를 전송하기 시작할 수 있다. 광 통신 단말은 또한 다른 풍선으로부터의 착신 광 신호를 탐색하기 시작할 수 있고, 신호가 검출되면, 단말이 명시된 동작 모드에서 전이중 통신을 수행하기 위해 정렬되도록, 단말은 그의 조향 거울을 모드 특정 목표 위치와 정렬하도록 배향시키기 위해 피드백을 사용할 수 있다. 이와 유사하게, 다른 단말은 거기에 수신되는 광 신호를 사용하여 배향하고 상보적 모드에서 동작하도록 그 자신을 정렬시킨다.

블록(810)에서, 광 통신 단말은 λ2의 데이터 변조 광을 전송하고 λ1의 데이터 변조 광을 수신하는 것에 의해 모드 B에서 전이중 통신을 수행할 수 있다. 예를 들어, 모뎀은 출력 데이터에 대응하는 특정의 변조 패턴을 갖는 광을 방출하라고 λ2 레이저에 지시하는 것에 의해 출력 데이터를 전송 λ2 광에 인코딩하기 위해서도 사용될 수 있다. 모뎀은 또한 수신 λ1 광의 변조 패턴을 검출하는 것 및 변조 패턴에 대응하는 입력 데이터를 식별하는 것에 의해 수신 λ1 광으로부터 데이터를 추출(디코딩)할 수 있다.

일부 실시예에서, 개시된 방법들은 머신 판독가능 포맷으로 비일시적 컴퓨터 판독가능 저장 매체 상에 또는 다른 비일시적 매체 또는 제조 물품 상에 인코딩되는 컴퓨터 프로그램 명령어들로서 구현될 수 있다. 도 9는 본 명세서에 제시되는 적어도 일부 실시예에 따라 구성된, 컴퓨팅 디바이스 상에서 컴퓨터 프로세스를 실행하기 위한 컴퓨터 프로그램을 포함하는 예시적인 컴퓨터 프로그램 제품의 부분 개념도를 나타낸 개략도이다.

일 실시예에서, 예시적인 컴퓨터 프로그램 제품(900)은 신호 전달 매체(signal bearing medium)(902)를 사용하여 제공된다. 신호 전달 매체(902)는, 하나 이상의 프로세서들에 의해 실행될 때, 도 1 내지 도 8과 관련하여 앞서 기술된 기능 또는 기능의 일부분을 제공할 수 있는 하나 이상의 프로그래밍 명령어들(904)을 포함할 수 있다. 일부 예에서, 신호 전달 매체(902)는 하드 디스크 드라이브, CD(Compact Disc), DVD(Digital Video Disk), 디지털 테이프, 메모리 등(이들로 제한되지 않음)과 같은 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체(906)를 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 신호 전달 매체(902)는 메모리, R/W(read/write) CD, R/W DVD 등(이들로 제한되지 않음)과 같은 컴퓨터 기록가능 매체(708)를 포함할 수 있다. 일부 구현에서, 신호 전달 매체(902)는 디지털 및/또는 아날로그 통신 매체(예컨대, 광섬유 케이블, 도파로, 유선 통신 링크, 무선 통신 링크 등)(이들로 제한되지 않음)와 같은 통신 매체(910)를 포함할 수 있다. 이와 같이, 예를 들어, 신호 전달 매체(902)는 무선 형태의 통신 매체(910)에 의해 전달될 수 있다.

하나 이상의 프로그래밍 명령어들(904)은, 예를 들어, 컴퓨터 실행가능 및/또는 논리 구현(logic implemented) 명령어들일 수 있다. 일부 예에서, 도 3의 컴퓨터 시스템(312)과 같은 컴퓨팅 디바이스는, 프로그래밍 명령어들(904)이 컴퓨터 판독가능 매체(906), 컴퓨터 기록가능 매체(908), 및/또는 통신 매체(910) 중 하나 이상에 의해 컴퓨터 시스템(312)으로 전달된 것에 응답하여, 다양한 동작들, 기능들, 또는 작용들을 제공하도록 구성될 수 있다.

비일시적 컴퓨터 판독가능 매체는 또한 서로로부터 원격지에 위치될 수 있는 다수의 데이터 저장 요소들 간에 분산되어 있을 수 있다. 저장된 명령어들 중 일부 또는 전부를 실행하는 컴퓨팅 디바이스는, 도 3을 참조하여 도시되고 기술된 풍선(300) 또는 다른 고고도 플랫폼과 같은, 디바이스일 수 있다. 대안적으로, 저장된 명령어들 중 일부 또는 전부를 실행하는 컴퓨팅 디바이스는, 지상 스테이션에 위치된 서버와 같은, 다른 컴퓨팅 디바이스일 수 있다.

이상의 상세한 설명은 개시된 시스템, 디바이스 및 방법의 다양한 특징들 및 기능들을 첨부 도면을 참조하여 기술한다. 다양한 양태 및 실시예가 본 명세서에 개시되어 있지만, 다른 양태 및 실시예가 본 기술 분야의 통상의 기술자에게는 명백할 것이다. 본원에 개시되는 다양한 양태 및 실시예는 예시를 위한 것이고 제한하는 것으로 의도되어 있지 않으며, 진정한 범주는 이하의 청구범위에 나타내어져 있다.

Claims (20)

1. 광 통신 단말로서,
   제1 파장의 광을 투과시키고 제2 파장의 광을 반사시키도록 구성되는 빔 분할기;
   상기 제1 파장의 광을 제1 방출 위치로부터 방출하고 상기 제2 파장의 광을 제2 방출 위치로부터 방출하도록 구성되는 하나 이상의 광원들;
   상기 제1 파장의 광을, 제1 검출 위치에서, 검출하고 상기 제2 파장의 광을, 제2 검출 위치에서, 검출하도록 구성되는 하나 이상의 검출기들; 및
   조향 거울(steering mirror)
   을 포함하고;
   상기 조향 거울과 상기 빔 분할기는, 상기 조향 거울이 제1 배향을 가지는 동안, (i) 상기 제1 방출 위치로부터 방출되는 상기 제1 파장의 광이 전송을 위해 원격 단말 쪽으로 지향되고, (ii) 상기 원격 단말로부터 수신되는 상기 제2 파장의 광이 상기 제2 검출 위치 쪽으로 지향되도록 배열되어 있으며,
   상기 조향 거울과 상기 빔 분할기는, 상기 조향 거울이 제2 배향을 가지는 동안, (i) 상기 제2 방출 위치로부터 방출되는 상기 제2 파장의 광이 전송을 위해 상기 원격 단말 쪽으로 지향되고, (ii) 상기 원격 단말로부터 수신되는 상기 제1 파장의 광이 상기 제1 검출 위치 쪽으로 지향되도록 추가로 배열되는, 광 통신 단말.
2. 제1항에 있어서,
   (i) 전이중 통신의 모드들 간에 전환하기로 하는 결정을 하고, (ii) 상기 결정을 한 것에 응답하여, 상기 조향 거울의 배향이 상기 제1 배향과 상기 제2 배향 사이에서 변하게 하도록 구성되는 제어기를 추가로 포함하는, 광 통신 단말.
3. 제2항에 있어서, 상기 제어기는 상기 조향 거울이 상기 제1 배향을 가지는 동안, (i) 상기 하나 이상의 광원들로 하여금 출력 데이터에 기초하여 변조되는 상기 제1 파장의 광을 상기 제1 방출 위치로부터 방출하게 하는 것, 및 (ii) 상기 제2 검출 위치에 있는 상기 하나 이상의 검출기들에 의해 검출되는 상기 제2 파장의 광에 기초하여 입력 데이터를 추출하는 것에 의해 상기 광 통신 단말을 전이중 통신의 제1 모드에서 작동시키도록; 그리고
   상기 조향 거울이 상기 제2 배향을 가지는 동안, (i) 상기 하나 이상의 광원들로 하여금 출력 데이터에 기초하여 변조되는 상기 제2 파장의 광을 상기 제2 방출 위치로부터 방출하게 하는 것, 및 (ii) 상기 제1 검출 위치에 있는 상기 하나 이상의 검출기들에 의해 검출되는 상기 제1 파장의 광에 기초하여 입력 데이터를 추출하는 것에 의해 상기 광 통신 단말을 전이중 통신의 제2 모드에서 작동시키도록 추가로 구성되는, 광 통신 단말.
4. 제1항에 있어서,
   상기 원격 단말은 상기 광 통신 단말의 시야(field of view) 내에서 특정의 방향으로 위치되어 있고, 상기 조향 거울은, 광을 상기 시야에 걸쳐 있는 각자의 방향들로 전송하도록 그리고 그 방향들로부터 수신되도록 지향시키기 위해, 일정 범위의 배향들을 갖도록 구성되고,
   상기 각자의 방향들 중 주어진 방향에 대해, 상기 조향 거울은 2개의 배향들 중 하나를 갖도록 구성되고, 상기 2개의 배향들 중 하나는 상기 제1 방출 위치로부터 방출되는 상기 제1 파장의 광을 전송을 위해 상기 각자의 방향들 중 상기 주어진 방향으로 지향시키고 또한 상기 각자의 방향들 중 상기 주어진 방향으로부터 수신되는 상기 제2 파장의 광을 상기 제2 검출 위치 쪽으로 지향시키며, 상기 2개의 배향들 중 다른 하나는 상기 제2 방출 위치로부터 방출되는 상기 제2 파장의 광을 전송을 위해 상기 각자의 방향들 중 상기 주어진 방향으로 지향시키고 또한 상기 각자의 방향들 중 상기 주어진 방향으로부터 수신되는 상기 제1 파장의 광을 상기 제1 검출 위치 쪽으로 지향시키는, 광 통신 단말.
5. 제1항에 있어서,
   상기 조향 거울에 의해 반사되는 적어도 일부 광에 의해 조사되도록 위치된 감광 어레이를 포함하는 배향 피드백 센서; 및
   (i) 상기 감광 어레이를 조사하는 광의 측정을 획득하고, (ii) 상기 획득된 측정에 기초하여 상기 조향 거울의 배향을 변경시키도록 구성되는 제어기를 추가로 포함하는, 광 통신 단말.
6. 제5항에 있어서, 상기 제어기는 (i) 상기 조사하는 광의 상기 감광 어레이 상에서의 중심 위치(centroid position)를 결정하고, (ii) 상기 중심 위치를 제1 목표 위치 또는 제2 목표 위치 중 하나와 정렬시키기 위해 상기 조향 거울의 배향을 변경하도록 추가로 구성되어 있고, 상기 제1 목표 위치와 상기 제2 목표 위치는 상기 조향 거울의 상기 제1 배향과 상기 제2 배향에, 각각, 대응하는, 광 통신 단말.
7. 제5항에 있어서,
   상기 원격 단말 쪽으로 전송하기 위해 상기 조향 거울 쪽으로 지향되는 제3 파장의 레이저 광을 방출하도록 구성되는 정렬 레이저 광원; 및
   상기 제3 파장의 수신 광을 상기 제1 파장의 광 및 상기 제2 파장의 광으로부터 분리시키도록 구성되는 적어도 하나의 부가 빔 분할기를 추가로 포함하고, 상기 부가 빔 분할기는 상기 원격 단말로부터 수신되는 상기 제3 파장의 광이 상기 배향 피드백 센서의 감광 어레이 쪽으로 지향되도록 배열되어 있는, 광 통신 단말.
8. 제1항에 있어서,
   상기 제1 파장의 광이 교대로 지나가는 제1 광 경로 쌍은 상기 조향 거울과 상기 제1 검출 위치 사이에 정의되는 수신 경로와 상기 조향 거울과 상기 제1 방출 위치 사이에 정의되는 전송 경로를 포함하고,
   상기 제2 파장을 가지는 광이 교대로 지나가는 제2 광 경로 쌍은 상기 조향 거울과 상기 제2 검출 위치 사이에 정의되는 수신 경로와 상기 조향 거울과 상기 제2 방출 위치 사이에 정의되는 전송 경로를 포함하고,
   상기 제1 광 경로 쌍 사이의 각도 분리는 상기 제2 광 경로 쌍 사이의 각도 분리와 같은, 광 통신 단말.
9. 제1항에 있어서,
   상기 빔 분할기, 상기 조향 거울, 상기 제1 방출 위치 및 상기 제2 방출 위치, 그리고 상기 제1 검출 위치 및 상기 제2 검출 위치가 탑재되는 프레임을 추가로 포함하는, 광 통신 단말.
10. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 광원들은
    상기 제1 파장의 데이터 변조 레이저 광(data modulated laser light)을 방출하도록 구성되는 제1 레이저 광원; 및
    상기 제2 파장의 데이터 변조 레이저 광을 방출하도록 구성되는 제2 레이저 광원을 포함하는, 광 통신 단말.
11. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 검출기들은
    상기 제1 파장의 데이터 변조 레이저 광을 검출하도록 구성되는 제1 애벌런치 광 다이오드(avalanche photodiode); 및
    상기 제2 파장의 데이터 변조 레이저 광을 검출하도록 구성되는 제2 애벌런치 광 다이오드를 포함하는, 광 통신 단말.
12. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 광원들을 상기 제1 방출 위치 및 상기 제2 방출 위치 각각에 그리고 상기 하나 이상의 검출기들을 상기 제1 검출 위치 및 상기 제2 검출 위치 각각에 광학적으로 링크시키는 다수의 광섬유들을 추가로 포함하는, 광 통신 단말.
13. 제1항에 있어서,
    상기 제1 파장을 가지는 광은 투과시키고 상기 제2 파장을 가지는 광은 투과시키지 않도록 구성되는 제1 파장 선택적 필터 - 상기 제1 파장 선택적 필터는 상기 빔 분할기와 상기 제1 방출 위치 및 상기 제1 검출 위치 둘 다 사이에 위치됨 -; 및
    상기 제2 파장을 가지는 광은 투과시키고 상기 제1 파장을 가지는 광은 투과시키지 않도록 구성되는 제2 파장 선택적 필터 - 상기 제2 파장 선택적 필터는 상기 빔 분할기와 상기 제2 방출 위치 및 상기 제2 검출 위치 둘 다 사이에 위치됨 - 를 추가로 포함하는, 광 통신 단말.
14. 제1항에 있어서, 상기 광 통신 단말은 고고도 플랫폼(high altitude platform)의 페이로드(payload)에 탑재되도록 구성되는, 광 통신 단말.
15. 고고도 플랫폼으로서,
    엔벨로프(envelope);
    상기 엔벨로프에 매달리도록 구성되는 페이로드; 및
    상기 페이로드에 탑재되는 광 통신 단말을 포함하고, 상기 광 통신 단말은 (i) 제1 파장의 광을 투과시키고 제2 파장의 광을 반사시키도록 구성되는 빔 분할기; (ii) 상기 제1 파장의 광을 제1 방출 위치로부터 방출하고 상기 제2 파장의 광을 제2 방출 위치로부터 방출하도록 구성되는 하나 이상의 광원들; (iii) 상기 제1 파장의 광을, 제1 검출 위치에서, 검출하고 상기 제2 파장의 광을, 제2 검출 위치에서, 검출하도록 구성되는 하나 이상의 검출기들; 및 (iv) 조향 거울을 포함하며,
    상기 조향 거울과 상기 빔 분할기는, 상기 조향 거울이 제1 배향을 가지는 동안, (i) 상기 제1 방출 위치로부터 방출되는 상기 제1 파장의 광이 전송을 위해 원격 단말 쪽으로 지향되고, (ii) 상기 원격 단말로부터 수신되는 상기 제2 파장의 광이 상기 제2 검출 위치 쪽으로 지향되도록 배열되어 있으며,
    상기 조향 거울과 상기 빔 분할기는, 상기 조향 거울이 제2 배향을 가지는 동안, (i) 상기 제2 방출 위치로부터 방출되는 상기 제2 파장의 광이 전송을 위해 상기 원격 단말 쪽으로 지향되고, (ii) 상기 원격 단말로부터 수신되는 상기 제1 파장의 광이 상기 제1 검출 위치 쪽으로 지향되도록 추가로 배열되는, 고고도 플랫폼.
16. 제15항에 있어서,
    (i) 전이중 통신의 모드들 간에 전환하기로 하는 결정을 하고; (ii) 상기 결정을 한 것에 응답하여, 상기 조향 거울의 배향이 상기 제1 배향과 상기 제2 배향 사이에서 변하게 하도록 구성되는 제어기를 추가로 포함하는, 고고도 플랫폼.
17. 제16항에 있어서, 상기 제어기는 상기 조향 거울이 상기 제1 배향을 가지는 동안, (i) 상기 하나 이상의 광원들로 하여금 출력 데이터에 기초하여 변조되는 상기 제1 파장의 광을 상기 제1 방출 위치로부터 방출하게 하는 것, 및 (ii) 상기 제2 검출 위치에 있는 상기 하나 이상의 검출기들에 의해 검출되는 상기 제2 파장의 광에 기초하여 입력 데이터를 추출하는 것에 의해 상기 광 통신 단말을 전이중 통신의 제1 모드에서 작동시키도록; 그리고
    상기 조향 거울이 상기 제2 배향을 가지는 동안, (i) 상기 하나 이상의 광원들로 하여금 출력 데이터에 기초하여 변조되는 상기 제2 파장의 광을 상기 제2 방출 위치로부터 방출하게 하는 것, 및 (ii) 상기 제1 검출 위치에 있는 상기 하나 이상의 검출기들에 의해 검출되는 상기 제1 파장의 광에 기초하여 입력 데이터를 추출하는 것에 의해 상기 광 통신 단말을 전이중 통신의 제2 모드에서 작동시키도록 추가로 구성되어 있는, 고고도 플랫폼.
18. 방법으로서,
    (i) 제1 방출 위치로부터 방출되는 제1 파장의 광을 전송을 위해 원격 단말 쪽으로 지향시키고, (ii) 상기 원격 단말로부터 수신되는 제2 파장의 입사광을 제2 검출 위치 쪽으로 지향시키기 위해 조향 거울을 배향시키는 단계;
    (i) 출력 데이터에 기초하여 변조되는 상기 제1 파장의 광을 상기 제1 방출 위치로부터 방출하는 것, 및 (ii) 상기 제2 검출 위치에서 검출되는 상기 제2 파장의 광에 기초하여 입력 데이터를 추출하는 것에 의해 제1 모드에서 전이중 통신을 수행하는 단계;
    제2 모드에서 전이중 통신을 수행하는 것으로 전환하기로 결정을 하는 단계;
    상기 결정을 한 것에 응답하여, (i) 제2 방출 위치로부터 방출되는 상기 제2 파장의 광을 전송을 위해 주어진 방향 쪽으로 지향시키고, (ii) 상기 주어진 방향으로부터 수신되는 상기 제1 파장의 입사광을 제1 검출 위치 쪽으로 지향시키기 위해 상기 조향 거울을 배향시키는 단계; 및
    (i) 출력 데이터에 기초하여 변조되는 상기 제2 파장의 광을 상기 제2 방출 위치로부터 방출하는 것, 및 (ii) 상기 제1 검출 위치에서 검출되는 상기 제1 파장의 광에 기초하여 입력 데이터를 추출하는 것에 의해 상기 제2 모드에서 전이중 통신을 수행하는 단계를 포함하는, 방법.
19. 제18항에 있어서,
    감광 어레이를 조사하기 위해 상기 조향 거울에 의해 반사되는 적어도 일부 광을 측정하는 단계; 및
    상기 측정에 기초하여 상기 조향 거울의 배향을 변경시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
20. 제19항에 있어서, 상기 측정에 기초하여 상기 조향 거울의 배향을 변경시키는 단계는
    상기 조사하는 광의 상기 감광 어레이 상에서의 중심 위치를 결정하는 단계; 및
    상기 중심 위치를 제1 목표 위치 또는 제2 목표 위치 중 하나와 정렬시키기 위해 상기 조향 거울의 배향을 변경하는 단계를 포함하고, 상기 제1 목표 위치와 상기 제2 목표 위치는, 각각, 상기 제1 모드와 상기 제2 모드에서 전이중 통신을 수행하기 위해 상기 조향 거울이 정렬되는 상기 조향 거울의 각자의 배향들에 대응하는, 방법.
    

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