KR102173200B1 - 지구 관측 및 양자 키 분배가 가능한 인공위성용 장치 - Google Patents

지구 관측 및 양자 키 분배가 가능한 인공위성용 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지구 관측 및 양자 키 분배가 가능한 인공위성용 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시 예에 따른 장치는, 지표면으로부터 전달되는 전자기파를 송수신하기 위한 광학계, 광학계를 통해 집속된 전자기파에서 적어도 하나의 소정의 파장 대역을 지구 관측을 위한 전기적 신호로 변환하는 영상검출 센서부 및 광학계를 통해 집속된 전자기파에서 적어도 하나의 특정 파장 대역을 양자 키 분배를 위한 전기적 신호로 변환하거나, 또는 광원으로부터 출력되는 양자 신호를 광학계를 통해 지표면으로 전달하는 양자 키 분배 송수신부를 포함하고, 영상검출 센서부 및 양자 키 분배 송수신부는 광학계의 초점거리에 의해 결정되는 초평면(Focal Plane)을 기준으로 배치될 수 있다.

Description

지구 관측 및 양자 키 분배가 가능한 인공위성용 장치{PAYLOAD APPARATUS FOR DUAL USE OF EARTH OBSERVATION AND QUANTUM KEY DISTRIBUTION IN SATELLITE}
본 발명은 지구 관측 및 양자 키 분배가 가능한 인공위성용 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지구 관측에 사용되는 전단광학계를 이용하여 지구 관측뿐만 아니라 양자 키 분배 목적으로도 사용이 가능하도록 구성함으로써 인공위성의 활용도를 높인 인공위성용 탑재 장치에 관한 것이다.
기존의 전통적인 공개 키 암호(Public Key Cryptography)는 특정한 수학적 계산의 복잡성에 기반을 두고 있고 가역적이기 때문에 컴퓨터의 연산 속도가 빨라질수록 보안의 문제가 발생한다. 이에 반하여 양자암호(Quantum Cryptography)는 수학적 복잡성이 아닌 광자에서 발생하는 비가역적인 물리현상에 기반을 두고 있기 때문에 공개 키 암호와 달리 수학적 접근이 불가능하여 보안성이 보장된다. 양자 키 분배(QKD: Quantum Key Distribution)는 이러한 양자암호의 암호체계이다.
이러한 양자암호를 상용화하기 위해서는 장거리 통신, 궁극적으로는 전 지구적 규모의 통신이 가능해야 한다. 그러나, 광섬유(Optical Fiber)나 자유공간 상의 레이저통신(Free Space Laser Communication)을 수단으로 한 지상에서의 양자채널(Quantum Channel)은 채널 손실 및 신호 감쇄 등이 발생한다. 단일 광자의 민감성으로 인하여 현재까지 알려진 바로는 지상에서 양자 키 분배가 가능한 최대 전송거리는 약 140 km에 불과하다. 이러한 전송거리의 제약을 극복하는 방법으로 인공위성을 이용하여 양자키를 분배하는 방법이 알려져 있으며, 2016년 8월 16일에 발사된 중국의 인공위성 "묵자(Micius)" 에 의해, 양자 키 분배가 전지구적인 규모에서 가능하다는 것이 실증되었다.
한편, 인공위성에 탑재되는 지구 관측용 임무장비는 크게 전자광학(EO: Electro-Optical) 카메라, 적외선(IR: Infra-Red) 카메라, 합성 개구 레이더(SAR: Synthetic Aperture Radar) 등으로 구분된다. 이들 중 전자광학 카메라는 주반사경과 부반사경, 그리고 두 개의 반사경을 지지하는 경통으로 구성된 전단광학계(Fore-optics)와 나머지 광학부품으로 구성되는 릴레이 광학계(Relay Optics), 그리고 영상검출기(Detector) 및 부가적인 전자회로로 구성되는 카메라 전자부로 이루어진다.
앞서 설명한 양자 키 분배를 위해 인공위성에 탑재되는 임무장비는 전술한 지구 관측용 인공위성의 전자광학 카메라에서 사용되는 것과 유사한 형태로 구성된다. 동일한 양자 키 전달율을 기준으로 인공위성의 전단광학계 구경과 지상 단말기에서 사용되는 광학계의 크기는 반비례(물리적 반비례는 아님) 관계를 갖는 경향이 있다. 따라서, 인공위성에 탑재되는 전단광학계의 구경이 커지게 되면, 지상 단말기의 광학계를 소형으로 설계 및 제작할 수 있다. 이러한 원리를 이용하면, 지상 단말기의 제작비용을 줄일 수 있고 설치가 용이할 뿐만 아니라 이동성이 높아진다. 이는 통신방송위성의 경우처럼 위성에 탑재되는 안테나의 크기가 커지면, 지상의 수신안테나 크기가 작아지는 것과 같은 원리이다.
아직까지 상용화된 적이 없는 양자 키 분배 서비스가 인공위성을 통하여 전지구적 규모로 서비스 제공이 가능 하려면, 지구 저궤도(지상 500km ~ 1,500km 이내)에 상당한 수의 인공위성을 전개할 필요가 있다. 그러나, 양자 키 분배를 위해 인공위성을 새롭게 제작하고 배치시키는 데에는 상당한 시간과 천문학적인 비용이 소요될 수 밖에 없다. 본격적으로 상용화가 이뤄지고 있는 지구관측 분야에서는 이미 상당히 많은 위성이 운용되고 있고 앞으로도 지속적인 개발이 예상되는 반면, 사업성이 검증되지 않은 양자 키 암호 분야에서는 다수의 위성을 이 목적만으로 새롭게 전개하는 데에는 많은 애로가 있다.
한편, 지구 관측뿐만 아니라 양자 키 분배가 가능한 인공위성용 장치를 구성하기 위한 방식으로서, 종래에는 파장 분할을 이용한 방식이 있었다. 예를 들어, 도 1을 참조하면, 파장 분할 방식은 지구관측용 전자광학 카메라의 전단광학계의 후방에 광분배기를 배치하여 지표면으로부터 수집되는 전자기파(가시광선 영역 포함)을 2개의 채널로 분리하는 방식을 말한다. 2개의 채널 중 하나는 전자광학 카메라 영상검출기로 연결되며, 나머지 하나는 양자키 분배 모듈로 연결된다. 즉, 파장 분할 방식은 일정한 에너지를 가진 전자기파를 2개의 경로로 분리하여 지구 관측뿐만 아니라 양자 키 분배를 수행할 수 있도록 장치를 구성하는 것을 말한다.
그러나, 도 1과 같이 광분배기를 이용하여 전단광학계로 수집되는 빛의 파장을 분리하는 파장 분할 방식은, 광분배기의 분할 효율에 따라 에너지 손실이 발생할 수 밖에 없다. 또한, 파장 분할 방식은 양자 키 분배에 가시광선 대역을 사용할 수 없는 문제가 있다. 일반적으로 지구 관측에 이용되는 파장의 범위는 450nm 내지 900nm(i.e. 가시광선 및 근적외선 대역의 파장)이므로, 파장 분할 방식은 영상검출기로 연결되는 지구 관측용 채널로 전술한 범위의 파장이 분리되는 것이 반드시 고려되어야 한다. 결국, 지구 관측과 양자 키 분배를 수행하기 위해서 파장 분할 방식을 이용하면, 지구 관측에 사용되는 가시광선 대역의 파장을 양자 키 분배에 사용할 수 없다. 즉, 파장 분할 방식은 양자 키 분배를 위한 파장 선정에 제약이 있을 수 밖에 없고, 이는 양자 채널의 링크 감쇠(Link Attenuation)에 상당한 영향을 미치기 때문에 양자 키 분배의 송수신에서의 링크 마진(Link Margin) 측면에서 불리할 수 밖에 없다.
미국 공개특허공보 2012/0230493호 (2012.03.11.)
본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 지구 관측용 인공위성과 양자 키 분배용 인공위성의 전단광학계 활용이라는 기술적 공통점에 기초하여 지구 관측 및 양자 키 분배 서비스를 공통의 전단광학계를 이용하여 수행할 수 있는 공간분할 방식의 구조적 특징을 가진 인공위성 탑재 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
즉, 본 발명은 지구 관측용 인공위성과 양자 키 분배용 인공위성 모두가 높은 공간 해상도와 높은 키 전달율을 위해 큰 구경의 전단광학계를 필요로 한다는 기술적 공통점이 있는 반면에 운용되는 시간대가 각각 낮과 밤으로 다르다는 점에 착안하여, 지구 관측용 인공위성과 양자 키 분배용 인공위성의 단순 결합이 아닌 양자 키 분배를 위해 기존의 지구 관측용 인공위성을 활용할 수 있는 구조적 특징을 제공함과 동시에 인공위성의 활용도를 획기적으로 높이는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 지구 관측 및 양자 키 분배가 가능한 인공위성용 장치는, 지표면으로부터 전달되는 전자기파를 송수신하기 위한 광학계, 광학계를 통해 집속된 전자기파에서 적어도 하나의 소정의 파장 대역을 지구 관측을 위한 전기적 신호로 변환하는 영상검출 센서부 및 광학계를 통해 집속된 전자기파에서 적어도 하나의 특정 파장 대역을 양자 키 분배를 위한 전기적 신호로 변환하거나, 또는 광원으로부터 출력되는 양자 신호를 광학계를 통해 지표면으로 전달하는 양자 키 분배 송수신부를 포함하고, 영상검출 센서부 및 양자 키 분배 송수신부는 광학계의 초점거리에 의해 결정되는 초평면(Focal Plane)을 기준으로 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 영상검출 센서부 및 양자 키 분배 송수신부는, 초평면 상에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 영상검출 센서부에 사용되는 파장 대역은, 가시광선 대역 및 근적외선 대역의 전체 또는 일부를 포함하고, 양자 키 분배 송수신부는, 가시광선 대역 및 근적외선 대역 중 단일의 특정 파장 또는 복수의 특정 파장만을 사용할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 영상검출 센서부는, 광학계의 광축 또는 광축에 인접하여 배치되고, 양자 키 분배 송수신부는, 영상검출 센서부에 인접하여 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 지구 관측 및 양자 키 분배가 가능한 인공위성용 장치는, 영상검출 센서부에서 변환된 전기적 신호를 디지털로 변환하여 지구 관측용 이미지를 추출하는 영상 검출부 및 양자 키 분배 송수신부에서 변환된 전기적 신호로부터 광자(Photon)를 검출하고, 광자의 편광 또는 위상차 중 적어도 하나 이상을 분석하거나, 또는 양자 신호를 출력하는 양자 신호 광원/분석부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 양자 신호 광원/분석부가 양자 신호를 출력하는 경우에는, 양자 신호 광원/분석부는, 양자 키 분배를 위한 양자 신호를 생성하고, 양자 키 분배 송수신부는, 생성된 양자 신호를 송신할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 지구 관측 및 양자 키 분배가 가능한 인공위성용 장치는, 양자 키 분배를 위한 전자기파의 경로를 변경하여 양자 키 분배 송수신부로 전자기파를 전달하는 반사경을 더 포함하며, 반사경은 초평면의 전방 또는 후방에 배치될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 반사경은, 다각기둥 형상일 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 반사경은 삼각기둥 형상이고, 반사면은 삼각기둥 형상의 빗면에 형성될 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따라 반사경이 초평면의 후방에 위치하는 경우에는, 초평면을 통과한 전자기파를 콜리메이션(Collimation) 또는 집속시키는 복수의 렌즈를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 복수의 렌즈는, 초평면을 통과한 전자기파를 반사경에 입사시키는 제 1 렌즈 및 반사경을 통해 반사된 전자기파를 초평면의 후방에 배치된 양자 키 분배 송수신부로 집속시키는 제 2 렌즈를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 지구 관측 및 양자 키 분배가 가능한 인공위성용 장치는, 영상검출 센서부에 의해 형성되는 관측 채널 및 양자 키 분배 송수신부에 의해 형성되는 양자 채널의 동작을 시간대 별로 제어하는 채널 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예로서 제공되는 인공위성용 장치에 따르면, 하나의 인공위성으로 주간에는 지구 관측 목적으로 활용하고, 야간에는 양자 키 분배 서비스에 활용함으로써, 인공위성의 활용도를 대폭 향상시킬 수 있으며, 양자 키 분배를 위한 인공위성의 개발 및 발사에 소요되는 비용 및 시간을 획기적으로 개선시킬 수 있다.
또한, 공간 분할 방식을 이용함으로써, 종래 파장 분할 방식에 비해 에너지 손실을 방지할 수 있다. 더불어, 인공위성의 내부 구조가 단순해질 수 있으며, 양자 키 분배에도 가시광선 파장 대역을 사용할 수 있다.
즉, 하나의 전단광학계를 활용한 공간 분할 방식을 이용하여 지구 관측뿐만 아니라 양자 키 분배를 수행할 수 있으므로, 궁극적으로 양자 키 분배를 위한 인공위성 시스템의 상용화 및 구현을 위한 현실적 환경을 제공할 수 있다.
도 1은 종래의 파장 분할 방식을 이용한 인공위성 탑재 장치의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 지구 관측 및 양자 키 분배가 가능한 인공위성용 장치의 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 영상 신호 및 양자 신호의 검출 영역을 포함하는 광학계 초평면의 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 지구 관측 및 양자 키 분배가 가능한 인공위성용 장치의 개념도이다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 지구 관측 및 양자 키 분배가 가능한 인공위성용 장치의 개념도이다.
본 명세서에서 사용되는 용어에 대해 간략히 설명하고, 본 발명에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.
명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, 명세서 전체에서 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, "그 중간에 다른 구성을 사이에 두고" 연결되어 있는 경우도 포함한다.
한편, 명세서 전체에서 "전자기파"는 이하에서 기술한 실시 예를 기초로 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 지구 관측 및 양자 키 분배를 위한 빛 또는 전자기파로 구별될 수 있다. 따라서, 명세서 전체에서 지구 관측 및 양자 키 분배를 위한 빛 또는 전자기파는 "전자기파"로 통칭한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시 예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 지구 관측 및 양자 키 분배가 가능한 인공위성용 장치의 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 지구 관측 및 양자 키 분배가 가능한 인공위성용 장치는, 지표면으로부터 수집된 빛의 파장을 분할하는 방식이 아닌 공간 분할 방식을 이용한다. 공간 분할 방식은 광학계(100)의 후방에 지구 관측용 구성과 양자 키 분배용 구성을 각각 공간적으로 배치하여 빛이 이동하는 경로를 2개로 형성하는 방식을 말한다. 즉, 공간 분할 방식은 파장 분할 방식과 같이 지표면으로부터 수집된 빛 자체를 분리하여 사용하는 것이 아니라, 일정한 에너지를 가진 빛이 장치의 내부에서 이동하는 경로를 2개로 분리하여 지구 관측뿐만 아니라 양자 키 분배를 수행할 수 있도록 장치를 구성하는 것을 말한다.
도 2와 같은 공간 분할 방식은 전술한 도 1과 같은 파장 분할 방식의 2가지 문제를 모두 개선할 수 있다. 먼저, 빛의 파장 자체를 분리하여 에너지 손실이 발생하는 파장 분할 방식과는 달리 공간 분할 방식은 빛의 이동 경로를 공간적으로 분리하여 지구 관측 또는 양자 키 분배를 수행하므로, 지표면으로부터 수집되는 빛에 대한 에너지 손실이 거의 발생하지 않는 장점이 있다. 공간 분할 방식은 파장 분할 방식과 같이 광분배기와 같은 별도의 구성품이 추가적으로 배치될 필요가 없으므로, 장치 내부의 공간적 활용도도 더 높은 장점이 있다.
또한, 양자 신호를 수신하는 경우, 공간 분할 방식은 파장 분할 방식과는 달리 양자 키 분배에도 가시광 대역의 빛을 사용할 수 있는 장점이 있다. 공간 분할 방식은 지구 관측 채널로 인가되는 가시광 대역의 파장을 고려하지 않아도 되기 때문에, 양자 키 분배를 수행하기 위한 최적의 파장 선정이 가능하다. 예를 들어, 대기의 영향을 적게 받는 양자 키 분배의 다운링크(Downlink)의 경우(e.g. 인공위성용 장치가 송신기로 사용되는 경우), 광 발산(Optical Divergence) 특성에 의해 가시광 대역이 단파 적외선(SWIR: Short Wave Infrared) 대역 대비 링크 마진이 크기 때문에(i.e. 양자 키 전달율이 높기 때문에), 양자 키 분배에 가시광 대역의 빛을 사용하는 것이 유리하다. 이때, 공간 분할 방식은 가시광 대역의 빛을 양자 키 분배에 사용할 수 있으므로, 양자 키 분배의 다운링크 과정에서 링크 마진을 파장 분할 방식보다 극대화 할 수 있다. 즉, 공간 분할 방식은 양자 채널의 링크 감쇠(Link Attenuation)에 영향을 미치는 광학계(100)의 구경, 대기 조건, 파장 등을 고려하여 적절한 양자 키 분배를 위한 파장 선정이 가능하므로, 양자 키 분배의 송수신에서의 링크 마진 측면에서 유리하다.
이하에서는 공간 분할 방식을 이용한 인공위성용 장치의 다양한 실시 예들을 보다 구체적으로 살펴보도록 한다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 인공위성용 장치는, 지표면으로부터 전달되는 전자기파를 송수신하기 위한 광학계(100), 광학계(100)를 통해 집속된 전자기파에서 적어도 소정의 파장 대역을 지구 관측을 위한 전기적 신호로 변환하는 영상검출 센서부(200) 및 광학계(100)를 통해 집속된 전자기파에서 적어도 하나의 특정 파장 대역을 양자 키 분배를 위한 전기적 신호로 변환하거나 후술할 양자 신호 광원/분석부(310)를 통해 출력되는 양자 신호를 광학계를 통해 지표면으로 전달하는 양자 키 분배 송수신부(300)를 포함할 수 있다.
본 발명의 제 1 실시 예에 따른 광학계(100)는 특정 타겟(Target)으로부터 전달되는 전자기파를 검출센서로 집속시킬 수 있다. 이때, 특정 타겟이란 지구관측의 관점에서 영상 검출을 원하는 지구 상의 물체를 의미할 수도 있고, 양자 키 분배의 관점에서 지상단말기를 의미할 수도 있다. 또한, 인공위성용 장치가 양자 키 분배의 송신장치로서 사용되는 경우, 광학계(100)는 양자 신호를 지상의 특정 타겟으로 송신하는 출력단의 역할을 수행할 수 있다. 즉, 지구 관측 또는 양자 키 분배를 위해 지구로부터 전달되는 전자기파 중 적어도 하나를 수신하거나, 장치에서 발생하는 신호를 지구로 송신하기 위해서 장치의 전단에 배치되는 광학계(100)가 사용될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시 예에 따른 영상검출 센서부(200)는 전자기파로부터 지구 관측을 위한 영상 신호를 감지하는 구성으로서, 광학계(100)에 의한 파면오차(WFE: Wave-front Error)를 최소화하기 위해서 광학계(100)의 광축 또는 광축에 인접하여 배치될 수 있다. 지구 관측의 영상 품질은 광학계(100)에 의한 파면오차에 의해 매우 민감하게 영향을 받으므로, 관측폭(Swath Width) 범위 내에서 파면오차가 최소화되도록 영상검출 센서부(200)는 설계, 제작, 조립 및 정렬되어야 한다. 또한, 무한거리(i.e. 지상)의 점광원이 광학계(100)를 통과한 후 촬상면(FP: Focal Plane)에서 요구되는 스팟(spot)의 크기는 화소(pixel) 크기와 유사한 수준이어야 한다. 즉, 파면오차를 최소화하여 고화질의 영상을 획득할 수 있도록 하기 위해서 영상검출 센서부(200)의 배치 가능 영역(i.e. 관측폭)은 도 2와 같이 광축 상 또는 광축의 주변으로 제한될 수 있다.
본 발명의 제 1 실시 예에 따른 양자 키 분배 송수신부(300)는 전자기파로부터 양자 키 분배를 위한 양자 신호를 감지하거나 양자 신호를 출력하기 위한 구성으로서, 영상검출 센서부(200)에 인접하여 배치될 수 있다. 양자 키 분배는 파면오차보다는 광자의 편광 정보 유지(Polarization maintaining)와 손실(Loss)을 최소화하는 것이 중요하다. 따라서, 영상검출 센서부(200)에 비해 양자 키 분배 송수신부(300)의 배치 가능 영역은 넓게 형성될 수 있다. 다만, 에너지 손실을 최소화하기 위해서 양자 키 분배 송수신부(300)는 물리적으로 허용되는 범위 내(i.e. 광학계(100)의 크기, 검출센서의 크기 등이 고려된 범위 내)에서 도 2와 같이 영상검출 센서부(200)(i.e. 광축)에 최대한 가깝게 배치되는 것이 바람직하다.
본 발명의 제 1 실시 예에 따른 양자 키 분배 송수신부(300)로는 단일 광자 검출을 위해 높은 반응성을 갖는 단일 광자 검출기(SPD, Single Photon Detector)가 사용될 수 있다. 이때, 단일 광자 검출기는 수백 마이크로미터 수준의 화소 크기를 가질 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 영상검출 센서부(200) 및 양자 키 분배 송수신부(300)는 광학계(100)의 초점거리에 의해 결정되는 초평면(A-A') 상에 배치될 수 있다. 초평면이란 장치의 전단에 배치되는 광학계(100)의 초점거리에 형성되는 가상의 초점 면을 의미한다. 즉, 무한거리(i.e. 지상)의 점광원으로부터 전달된 전자기파는 광학계(100)를 통과하여 광학계(100)의 초점거리에 의해 결정되는 초평면(A-A')에 상을 형성하게 되고, 이러한 상이 형성되는 초평면(A-A') 상에 전술한 광축을 기준으로 영상검출 센서부(200) 및 양자 키 분배 송수신부(300)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 도 2와 같이 광학계(100)의 초평면(A-A')을 기준으로 광축 상에 영상검출 센서부(200)가 배치되고, 광학계(100)의 초평면(A-A')을 기준으로 영상검출 센서부(200)에 인접하여 평행하게 양자 키 분배 송수신부(300)가 배치될 수 있다. 이와 같이 영상검출 센서부(200)와 양자 키 분배 송수신부(300)가 초평면(A-A')을 기준으로 하여 공간을 분할하는 방식으로 배치되면, 지구 관측뿐만 아니라 양자 키 분배를 위한 전자기파 에너지 손실을 최소화할 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 인공위성용 장치는, 영상검출 센서부(200)에서 변환된 전기적 신호를 디지털로 변환하여 지구 관측용 이미지를 추출하는 영상 검출부(210) 및 양자 키 분배 송수신부(300)에서 변환된 전기적 신호로부터 광자를 검출하고, 광자의 편광 또는 위상차 중 적어도 하나 이상을 분석하거나 양자 신호를 출력하는 양자 신호 광원/분석부(310)를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제 1 실시 예에 따른 영상검출 센서부(200)와 연결되는 영상 검출부(210)는 영상검출 센서부(200)에 의해 감지된 영상 신호를 기초로 지구 관측을 위한 영상(또는 이미지)를 획득할 수 있다. 영상 검출부(210)에 의해 획득된 영상은 메모리부에 저장되어 별도로 마련된 통신부를 통해 지상으로 전달될 수 있다. 이때, 영상 검출부(210)는 수 마이크로미터 수준의 화소 크기를 가질 수 있다.
본 발명의 제 1 실시 예에 따른 양자 키 분배 송수신부(300)와 연결되는 양자 신호 광원/분석부(310)가 수신기의 역할을 하는 경우, 양자 신호 광원/분석부(310)는 양자 키 분배 송수신부(300)에 의해 검출된 광자를 기초로 양자 신호를 해석하고, 이를 메모리부에 저장할 수 있다. 반대로 양자 키 분배 송수신부(300)와 연결되는 양자 신호 광원/분석부(310)가 송신기의 역할을 하는 경우, 양자 신호 광원/분석부(310)는 양자 광원으로서 양자 키 교환을 위한 양자 신호를 생성하고 양자 신호를 출력할 수 있다. 이때, 양자 키 분배 송수신부(300)는 양자 신호를 송신할 수 있다. 즉, 양자 신호 광원/분석부(310)는 양자 키 수신 또는 송신 여부에 따라 전자 모듈 또는 광학 모듈로서 동작할 수 있다.
본 발명의 제 1 실시 예에 따른 양자 신호 광원/분석부(310)는 레이저 통신 터미널(Laser Communication Terminal), 위치 추적기(Pointing, Acquisition, & Tracking System), 양자 생성기(Quantum Source), 편광 분석기(Polarization Analyzer), 그리고 키 관리 및 하드웨어 보안 모듈(Key Management & Hardware Security Module) 등을 포함할 수 있다. 이는 양자 키 수신 또는 송신을 위한 최소 구성으로서 전술한 예시에 한정되지 않으며, 양자 신호 광원/분석부(310)에는 양자 키 분배의 목적에 따라 필요한 구성들이 추가적으로 더 포함될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 영상 신호 및 양자 신호의 검출 영역을 포함하는 광학계 초평면(A-A')의 단면도이다.
전술하였듯이 영상검출 센서부(200)는 파면오차를 최소화하기 위해서 광학계(100)의 광축 상에 배치되므로, 영상 신호 검출 영역(11)은 도 3의 (a)와 같이 초평면(A-A')의 중심부에 형성될 수 있다. 양자 키 분배 송수신부(300)는 영상검출 센서부(200)와는 달리 파면오차의 영향이 적어 초평면(A-A') 상의 어느 곳이든 배치될 수 있으나, 에너지 손실을 최소화하기 위해서 영상검출 센서부(200)와 인접하여 배치되므로, 양자 신호 검출 영역(12)은 도 3의 (a)와 같이 초평면(A-A')의 중심부에 인접하게 형성될 수 있다. 또한, 영상 검출을 위한 화소의 크기는 수 마이크로미터 수준인 반면, 양자 신호 검출을 위한 화소의 크기는 수백 마이크로미터 수준이므로, 도 3의 (a)와 같이 영상 신호 검출 영역(11)은 양자 신호 검출 영역(12)에 비해 넓게 형성될 수 있다.
도 3의 (b)를 참조하면, 지구 관측을 위한 영상 신호 검출 영역(11)은 PAN(Panchromatic) 밴드 이외에 다수의 MS(Multi-spectral) 밴드로 구성될 수 있다. 영상신호의 파면오차를 최소화 하기 위해 초평면(A-A')의 중앙을 중심으로 각각의 밴드의 공간이 할당되며, 각각의 밴드는 광학계(100)를 통해 들어온 전자기파의 일부만을 사용할 수 있다. 즉, 초평면(A-A') 상에서 광축을 중심으로 외곽으로 갈수록 파면오차는 증가하기 때문에, 일정 수준 이상의 영상 품질을 유지하기 위해서 밴드 영역(i.e. 관측폭)은 도 3의 (b)와 같이 제한적으로 형성될 수 있다.
도 4는 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 지구 관측 및 양자 키 분배가 가능한 인공위성용 장치의 개념도이다.
본 발명의 제 2 실시 예에 따르면, 인공위성용 장치의 내부에 배치된 영상검출 센서부(200)와 양자 키 분배 송수신부(300)의 공간적 활용도를 높이기 위해서 양자 키 분배 송수신부(300)는 초평면(A-A')의 전방에 배치될 수 있다. 이를 위해 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 인공위성용 장치는 반사경(400)을 더 포함할 수 있다. 즉, 초평면(A-A')의 전방에 배치되는 반사경(400)을 통해 양자 키 분배를 위한 전자기파의 경로를 변경함으로써, 영상검출 센서부(200)와 양자 키 분배 송수신부(300) 간의 공간적인 배치를 용이하게 할 수 있다.
예를 들어, 도 4를 참조하면, 반사경(400)은 초평면(A-A') 및 광축 상에 배치된 영상검출 센서부(200)와 간섭이 되지 않는 범위 내(i.e. 영상검출 센서부(200)로 입사되는 전자기파를 방해하지 않는 범위 내)에서 인접하게 배치될 수 있다. 이때, 반사경(400)은 초평면(A-A')의 전방(e.g. 광학계와 초평면의 사이)에 배치될 수 있다. 양자 키 분배 송수신부(300)는 반사경(400)에 의해 초평면(A-A')의 전방에서 연직방향으로 변경되는 전자기파의 경로를 따라 배치될 수 있다. 즉, 양자 키 분배 송수신부(300)는 반사경(400)을 통해 초평면(A-A')의 전방에서 영상검출 센서부(200)와 수직하게 배치될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 지구 관측 및 양자 키 분배가 가능한 인공위성용 장치의 개념도이다.
본 발명의 제 3 실시 예에 따르면, 인공위성용 장치의 내부에 배치된 영상검출 센서부(200)와 양자 키 분배 송수신부(300)의 공간적 활용도를 높이기 위해서 양자 키 분배 송수신부(300)는 초평면(A-A')의 후방에 배치될 수 있다. 이를 위해 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 인공위성용 장치는, 초평면(A-A')을 통과한 전자기파의 콜리메이션을 위한 제 1 렌즈(500), 양자 키 분배 송수신부(300)가 초평면(A-A')의 후방에 배치되도록 하기 위한 반사경(400) 및 반사경(400)을 통해 반사된 전자기파를 양자 키 분배 송수신부(300)로 집속시키거나 양자 키 분배 송수신부(300)에서 출력된 전자기파를 콜리메이션하기 위한 제 2 렌즈(600)를 더 포함할 수 있다. 즉, 초평면(A-A')의 후방에 배치되는 콜리메이션용 제 1 렌즈(500), 반사경(400) 및 집속용 제 2 렌즈(600)를 통해 양자 키 분배를 위한 전자기파의 광로를 변경함으로써, 영상검출 센서부(200)와 양자 키 분배 송수신부(300) 간의 공간적인 배치를 용이하게 할 수 있으며, 검출센서 후단에 추가적으로 연결 가능한 구성들의 배치 자유도를 증가시킬 수 있다.
예를 들어, 도 5를 참조하면, 전자기파는 광학계 초평면(A-A')을 통과함에 따라 퍼지게 되는데, 이러한 전자기파가 지향성(Directivity)을 갖도록 초평면(A-A')의 후방에 제 1 렌즈(500)가 먼저 배치될 수 있다. 제 1 렌즈(500)를 통해 평행하게 이동하는 전자기파의 경로를 연직방향으로 변경하기 위해서 반사경(400)은 제 1 렌즈(500)의 후방에 배치될 수 있다. 제 1 렌즈(500)를 통해 영상검출 센서부(200)와의 간섭을 고려하지 않아도 되므로, 제 2 실시 예에 비해 반사경(400)은 초평면(A-A')의 후방에서 원하는 위치에 자유롭게 배치될 수 있다. 반사경(400)에 의해 변경된 전자기파의 경로를 따라 제 2 렌즈(600) 및 양자 키 분배 송수신부(300)가 차례로 배치될 수 있다. 따라서, 양자 키 분배 송수신부(300)는 제 1 렌즈(500), 반사경(400) 및 제 2 렌즈(600)를 통해 초평면(A-A')의 후방에서 영상검출 센서부(200)와 수직하게 배치될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 반사경(400)은 초평면(A-A')의 중심에 가깝게 배치되도록 삼각기둥 형상으로 형성될 수 있다. 다시 말해서, 반사경(400)은 양자 신호 검출 공간을 최대한 광축에 가깝게 형성하기 위해서 단면이 삼각형인 삼각기둥 형상으로 형성될 수 있다. 이때, 영상검출 센서부(200)와 양자 키 분배 송수신부(300) 간의 간섭을 방지하기 위해 삼각기둥 형상의 반사경(400)의 빗면에는 반사면이 형성될 수 있다. 예를 들어, 반사면이 빗면이 아닌 나머지 단면에도 형성되면 영상검출 센서부(200)로 입사되는 전자기파를 방해할 수 있으므로, 삼각기둥 형상의 반사경(400)의 빗면에만 반사면이 형성될 수 있다. 이와 같은 반사경(400)의 형상은 영상검출 센서부(200)와 양자 키 분배 송수신부(300)를 수직하게 배치하여 공간의 활용도를 높이기 위한 것이므로, 반사경(400)은 영상검출 센서부(200)와 양자 키 분배 송수신부(300)의 상호 배치가 변형됨에 따라 삼각기둥 형상뿐만 아니라 다양한 다각기둥의 형상으로 형성될 수 있다.
본 발명의 제 2 실시 예 및 제 3 실시 예에 따른 인공위성용 장치의 구성과 관련하여서는 전술한 제 1 실시 예에 대한 내용(e.g. 영상 검출부, 양자 신호 광원/분석부 등)이 동일하게 적용될 수 있다. 따라서, 전술한 제 1 실시 예에 대한 내용과 동일한 내용에 대하여는 설명을 생략하였다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 지구 관측 및 양자 키 분배가 가능한 인공위성용 장치는, 영상검출 센서부(200)에 의해 형성되는 관측 채널 및 양자 키 분배 송수신부(300)에 의해 형성되는 양자 채널의 동작을 시간대 별로 제어하는 채널 제어부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 일반적으로 지구 관측은 지구표면이 충분히 밝은 낮 시간대에 수행되고, 양자 키 분배는 광 노이즈가 적은 밤 시간대에 수행된다. 따라서, 인공위성의 활용도를 높이기 위해 인공위성용 장치는 채널 제어부를 통해 낮 시간대에는 관측 채널의 동작을 제어하여 지구 관측을 수행하고, 밤 시간대에는 양자 채널의 동작을 제어하여 양자 키 분배를 수행할 수 있다. 채널 제어의 기준이 되는 시간대는 채널 제어부 상에서 소정의 범위값으로 미리 설정되어 있거나 지상으로부터 수신되는 신호에 의해 설정 또는 변경될 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
11: 영상 신호 검출 영역 12: 양자 신호 검출 영역
100: 광학계 200: 영상검출 센서부
210: 영상 검출부 300: 양자 키 분배 송수신부
310: 양자 신호 광원/분석부 400: 반사경
500: 제 1 렌즈 600: 제 2 렌즈

Claims (12)

  1. 지구 관측 및 양자 키 분배(QKD: Quantum Key Distribution)가 가능한 인공위성용 장치에 있어서,
    지표면으로부터 전달되는 전자기파를 송수신하기 위한 광학계;
    상기 광학계를 통해 집속된 전자기파에서 적어도 하나의 소정의 파장 대역을 지구 관측을 위한 전기적 신호로 변환하는 영상검출 센서부; 및
    상기 광학계를 통해 집속된 전자기파에서 적어도 하나의 특정 파장 대역을 양자 키 분배를 위한 전기적 신호로 변환하거나, 또는 광원으로부터 출력되는 양자 신호를 상기 광학계를 통해 지표면으로 전달하는 양자 키 분배 송수신부를 포함하고,
    상기 영상검출 센서부는,
    상기 광학계의 초점거리에 의해 결정되는 초평면(Focal Plane) 상에 배치되는 것을 특징으로 하고,
    상기 양자 키 분배 송수신부는,
    상기 광학계의 초점거리에 의해 결정되는 초평면(Focal Plane)을 기준으로 배치되는 것을 특징으로 하는 인공위성용 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상검출 센서부 및 양자 키 분배 송수신부는, 상기 초평면 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 인공위성용 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 영상검출 센서부에 사용되는 파장 대역은, 가시광선 대역 및 근적외선 대역의 전체 또는 일부를 포함하고,
    상기 양자 키 분배 송수신부는, 상기 가시광선 대역 및 근적외선 대역 중 단일의 특정 파장 또는 복수의 특정 파장만을 사용하는 것을 특징으로 하는 인공위성용 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 영상검출 센서부는, 상기 광학계의 광축 또는 상기 광축에 인접하여 배치되고,
    상기 양자 키 분배 송수신부는, 상기 영상검출 센서부에 인접하여 배치되는 것을 특징으로 하는 인공위성용 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 영상검출 센서부에서 변환된 전기적 신호를 디지털로 변환하여 지구 관측용 이미지를 추출하는 영상 검출부; 및
    상기 양자 키 분배 송수신부에서 변환된 전기적 신호로부터 광자(Photon)를 검출하고, 상기 광자의 편광 또는 위상차 중 적어도 하나 이상을 분석하거나, 또는 양자 신호를 출력하는 양자 신호 광원/분석부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인공위성용 장치.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 양자 신호 광원/분석부가 상기 양자 신호를 출력하는 경우에는,
    상기 양자 신호 광원/분석부는, 상기 양자 키 분배를 위한 양자 신호를 생성하고,
    상기 양자 키 분배 송수신부는, 상기 생성된 양자 신호를 송신하는 것을 특징으로 하는 인공위성용 장치.
  7. 제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 양자 키 분배를 위한 전자기파의 경로를 변경하여 상기 양자 키 분배 송수신부로 상기 전자기파를 전달하는 반사경을 더 포함하며,
    상기 반사경은 상기 초평면의 전방 또는 후방에 배치되는 것을 특징으로 하는 인공위성용 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 반사경은, 다각기둥 형상인 것을 특징으로 하는 인공위성용 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 반사경이 삼각기둥 형상이고,
    반사면은 상기 삼각기둥 형상의 빗면에 형성되는 것을 특징으로 하는 인공위성용 장치.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 반사경이 초평면의 후방에 위치하는 경우에는,
    상기 초평면을 통과한 전자기파를 콜리메이션(Collimation) 또는 집속시키는 복수의 렌즈를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인공위성용 장치.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 복수의 렌즈는,
    상기 초평면을 통과한 전자기파를 상기 반사경에 입사시키는 제 1 렌즈; 및
    상기 반사경을 통해 반사된 전자기파를 상기 초평면의 후방에 배치된 양자 키 분배 송수신부로 집속시키는 제 2 렌즈를 포함하는 것을 특징으로 하는 인공위성용 장치.
  12. 제 1 항 내지 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 영상검출 센서부에 의해 형성되는 관측 채널 및 상기 양자 키 분배 송수신부에 의해 형성되는 양자 채널의 동작을 시간대 별로 제어하는 채널 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인공위성용 장치.
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