KR102491162B1 - 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다 - Google Patents

얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다 Download PDF

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Abstract

얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스는 연속파 레이저를 출력하는 소스 레이저, 상기 연속파 레이저를 이용하여 시그널 광자 및 아이들러 광자를 생성하는 양자 소스부, 상기 시그널 광자의 수를 세어서 단일광자검출 펄스 신호를 출력하는 단일광자검출기, 및 상기 연속파 레이저를 상기 단일광자검출 펄스 신호에 맞추어 랜덤-연속 펄스 형태로 변조하여 변조 레이저를 출력하는 레이저 변조기를 포함한다.

Description

얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다{TEMPORAL CORRELATED SINGLE PHOTON COUNTING LASER SOURCE MODULATED BY ENTANGLED PHOTON-PAIR SOURCE AND LIDAR USING THE SAME}
본 발명은 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다에 관한 것으로, 더욱 상세하게 랜덤-변조 연속파동 단일광자계수 라이다(random-modulation continuous wave lidar)를 위한 시간 상관 레이저 소스 및 이를 적용한 라이다에 관한 것이다.
최근 들어, 3차원 이미징, 공중 또는 우주 플랫폼 기반의 지형학 측정이나 대기 센싱 등을 위한 단일광자계수 라이다 분야에 많은 관심이 모아지고 있다. 단일광자검출기를 통한 단광자 이벤트의 측정은 장거리 탐지나 매우 약한 신호 탐지를 가능하게 했다. 라이다 시스템은 크게 두 개의 범주로 나눌 수 있다. 첫 번째가 펄스기반의 비행 시간법(time of flight, TOF)을 이용한 방법으로, 보내는 펄스와 받는 펄스 사이의 경과 시간에 의해 거리가 계산되어지는 방식이다. 두 번째가 연속파동 비행 시간법을 이용하는 것인데, 산란된 연속적인 방사선(continuous radiation)의 위상 지연이나 주파수 변화를 사용하여 거리를 측정한다. 펄스를 이용하는 방식의 비용이나 신뢰성은 펄스 레이저의 높은 피크 파워와 속도가 빠른 수신기에 의해 좌우되는 반면, 연속파동을 이용하는 방식의 라이다는 비교적 저렴한 가격으로 활용이 가능하다. 특히, 연속파동 라이다 기술 중, 랜덤-변조 라이다 시스템은 위상 이동식, 헤테로다인식(heterodine), 주파수-변조 연속파동 방식들과 같은 다른 기술들에 비해 고유의 이점을 갖는다[1]. 먼저 펄스의 경우 거리에 따라 펄스 반복수를 고려해야하는 반면, 랜덤-변조 라이다의 경우 이러한 부분의 고려 없이 정확한 장거리 측정(unambiguity distance)이 가능하고 장비들 사이에서 발생할 수 있는 일정 주파수의 상호 간섭을 낮출 수 있다.
일반적으로, 랜덤-변조 라이다는 주기적인 유사-랜덤(pseudo-random) 코드 시퀀스를 변조 신호로 사용하여 전계-광학 변조기 (electro-optic modulator, EOM)에 넣어주고, 이러한 변조 신호에 의해 전계-광학 변조기를 지나는 연속파동 레이저를 펄스로 바꿔준다. 타겟으로부터 산란되어 돌아온 빔은 검출기를 통해 측정되고 유사-랜덤 코드와의 상호 상관관계(cross correlation) 측정을 통해서 높은 신호 대 잡음비를 확보한다. 이렇게 주기적으로 발생되는 유사-랜덤 시퀀스의 주기가 길수록 시스템의 거리 정확성(unambiguity distance)이 길어진다. 하지만, 프로그램 기반으로 만들어지는 유사-랜덤 코드는 길이와 주기에 한계를 가지게 된다.
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 랜덤-변조 라이다의 유사-랜덤(pseudo-random) 시그널을 양자광원을 통한 완전 랜덤한 시그널로 변경하고, 단일광자레벨의 측정을 통한 반사신호 측정 및 시간 상관 단일광자계수기를 통해 높은 신호대 잡음비를 확보할 수 있는 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다를 제공함에 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스는 연속파 레이저를 출력하는 소스 레이저, 상기 연속파 레이저를 이용하여 시그널 광자 및 아이들러 광자를 생성하는 양자 소스부, 상기 시그널 광자의 수를 세어서 단일광자검출 펄스 신호를 출력하는 단일광자검출기, 및 상기 연속파 레이저를 상기 단일광자검출 펄스 신호에 맞추어 랜덤-연속 펄스 형태로 변조하여 변조 레이저를 출력하는 레이저 변조기를 포함한다.
상기 양자 소스부는 자발 매개 하향 변환을 일으키는 비선형 결정을 이용하여 상기 시그널 광자와 상기 아이들러 광자를 생성할 수 있다.
상기 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스는 상기 소스 레이저에서 출력되는 연속파 레이저를 분할하여 상기 양자 소스부와 상기 레이저 변조기로 입력시키는 빔 분할부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스는 연속파 레이저를 출력하는 소스 레이저, 레이저 변조를 위한 서브 연속파 레이저를 출력하는 서브 레이저, 상기 연속파 레이저를 이용하여 시그널 광자 및 아이들러 광자를 생성하는 양자 소스부, 상기 시그널 광자의 수를 세어서 단일광자검출 펄스 신호를 출력하는 단일광자검출기, 및 상기 서브 연속파 레이저를 상기 단일광자검출 펄스 신호에 맞추어 랜덤-연속 펄스 형태로 변조하여 변조 레이저를 출력하는 레이저 변조기를 포함한다.
상기 양자 소스부는 자발 매개 하향 변환을 일으키는 비선형 결정을 이용하여 상기 시그널 광자와 상기 아이들러 광자를 생성할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 라이다는 제1 단일광자검출기로 광자의 수를 세어서 제1 단일광자검출 펄스 신호를 생성하고, 상기 제1 단일광자검출 펄스 신호에 맞추어 랜덤-연속 펄스 형태의 변조 레이저를 출력하는 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스, 상기 변조 레이저를 타겟으로 보내고, 타겟에 의해 반사되는 반사 레이저를 수신하는 라이다 광학계, 상기 반사 레이저의 광자 수를 세어서 제2 단일광자검출 펄스 신호를 출력하는 제2 단일광자검출기, 및 상기 제2 단일광자검출 펄스 신호와 제3 단일광자검출 펄스 신호와의 상관관계를 분석하여 상기 타겟과의 거리를 측정하는 시간 상관 측정기를 포함한다.
상기 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스는, 연속파 레이저를 출력하는 소스 레이저, 상기 연속파 레이저를 이용하여 시그널 광자 및 아이들러 광자를 생성하는 양자 소스부, 상기 시그널 광자의 수를 세어서 상기 제1 단일광자검출 펄스 신호를 출력하는 상기 제1 단일광자검출기, 및 상기 연속파 레이저를 상기 단일광자검출 펄스 신호에 맞추어 상기 변조 레이저를 출력하는 레이저 변조기를 포함할 수 있다.
상기 라이다는 상기 아이들러 광자의 수를 세어서 상기 제3 단일광자검출 펄스 신호를 출력하는 제3 단일광자검출기를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 단일광자검출기는 상기 제1 단일광자검출 펄스 신호와 동일한 상기 제3 단일광자검출 펄스 신호를 생성하여 상기 시간 상관 측정기에 입력할 수 있다.
상기 시간 상관 측정기는 제3 단일광자검출 펄스 신호를 시작 신호로 사용하고 상기 제2 단일광자검출 펄스 신호를 멈춤 신호로 사용하여 상기 제2 단일광자검출 펄스 신호와 상기 제3 단일광자검출 펄스 신호의 상관관계를 측정하는 시간 상관 단일광자 계수기를 포함할 수 있다.
상기 양자 소스부는 자발 매개 하향 변환을 일으키는 비선형 결정을 이용하여 상기 시그널 광자와 상기 아이들러 광자를 생성할 수 있다.
상기 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스는, 연속파 레이저를 출력하는 소스 레이저, 레이저 변조를 위한 서브 연속파 레이저를 출력하는 서브 레이저, 상기 연속파 레이저를 이용하여 시그널 광자 및 아이들러 광자를 생성하는 양자 소스부, 상기 시그널 광자의 수를 세어서 상기 제1 단일광자검출 펄스 신호를 출력하는 제1 단일광자검출기, 및 상기 서브 연속파 레이저를 상기 제1 단일광자검출 펄스 신호에 맞추어 상기 변조 레이저를 출력하는 레이저 변조기를 포함할 수 있다.
랜덤 변조 신호를 랜덤하게 확률적으로 생성하는 에너지-시간 얽힘 광자쌍의 검출 신호를 이용하여, 완전히 랜덤한 시퀀스를 줄 수 있고, 아이들러 광자와 시그널 광자의 TTL(Transistor Transistor Logic)에 의해 랜덤-변조된 레이저로부터 단일광자검출기와 시간 상관 단일광자계수기(time correlated single photon counting, TCSPC)를 이용하여 직접적으로 상호 상관관계를 얻을 수 있으며 정확한 장거리 측정이 가능하게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다를 나타내는 블록도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다를 나타내는 블록도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다를 나타내는 블록도이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다를 나타내는 블록도이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다를 나타내는 블록도이다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다를 나타내는 블록도이다.
도 8은 일 실시예에 따른 시그널 광자를 단일광자검출기로 검출한 단일광자검출 펄스 신호를 나타내는 그래프이다.
도 9는 일 실시예에 따른 전계-광학 변조기를 지나 광 검출기로 측정된 랜덤-변조 레이저 펄스를 나타내는 그래프이다.
도 10은 일 실시예에 따른 아이들러 광자와 감쇄된 랜덤-변조 레이저의 단일광자 생성률을 나타내는 그래프이다.
도 11은 일 실시예에 따른 아이들러 광자와 감쇄된 랜덤-변조 레이저의 상호 상관관계 함수를 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스를 나타내는 블록도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 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 있는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다를 나타내는 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 라이다(100)는 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스(110), 라이다 광학계(120), 하나 이상의 단일광자검출기(Single Photon Count Module, SPCM)(130, 140) 및 시간 상관 측정기(time-correlation measurement device)(150)를 포함한다.
얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스(110)는 소스 레이저(111), 빔 분할부(112), 양자 소스부(113), 제1 단일광자검출기(114) 및 레이저 변조기(115)를 포함할 수 있다.
소스 레이저(111)는 연속파 레이저(L1)를 출력할 수 있다. 예를 들어, 연속파 레이저(L1)는 405nm 파장의 레이저일 수 있다. 소스 레이저(111)를 제1 레이저 광원이라 지칭하고, 연속파 레이저(L1)를 제1 레이저 빔이라 지칭할 수 있다. 소스 레이저(111)는 특정 파장의 레이저를 출력할 수 있는 LED 광원을 포함할 수 있다.
빔 분할부(112)는 소스 레이저(111)에서 출력되는 연속파 레이저(L1)를 분할하여 양자 소스부(113) 및 레이저 변조기(115)로 입력시킬 수 있다. 빔 분할부(112)는 연속파 레이저(L1)를 1:1로 분할하는 빔 가르개(Beam Splitter)일 수 있다.
양자 소스부(113)는 입력되는 연속파 레이저(L1)를 이용하여 시그널 광자(S)와 아이들러 광자(I)를 생성할 수 있다. 양자 소스부(113)는 자발 매개 하향 변환(Spontaneous Parametric Down Conversion, SPDC)을 일으키는 비선형 결정을 이용하여 시그널 광자(S)와 아이들러 광자(I)를 생성할 수 있다. 비선형 결정에 연속파 레이저(L1)가 입사되면 SPDC에 의해 연속파 레이저의 입사 광자 하나가 파장이 변환된 2개의 광자쌍, 즉 시그널 광자(S)와 아이들러 광자(I)가 생성될 수 있다. 비선형 결정에는 주기적 폴링 구조를 갖는 포타슘 타이타일 포스페이트(periodically poled potassium titanyl phosphate, ppKTP), 베타 바륨 붕산염(BBO) 등이 있다. 실시예에 따라, 양자 소스부(113)로 자발적사광자혼합(Spontaneous four-wave mixing, SFWM) 기반의 Atomic Vapor Cell 이나 Optical Fiber를 이용하는 양자광원 생성, 반도체 기반의 LED 광원으로부터 발생되는 무작위 광자를 측정하는 방식이 적용될 수도 있다.
시그널 광자(S)는 제1 단일광자검출기(114)에 입력되고, 제1 단일광자검출기(114)는 입력되는 시그널 광자(S)의 수를 세어서 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)를 출력할 수 있다. 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)는 양자광원의 랜덤하게 생성된 시간정보를 가지고 있다. 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)는 전기적 신호로써 TTL(Transistor Transistor Logic) 신호일 수 있다. 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)는 레이저 변조기(115)에 입력된다.
레이저 변조기(115)는 연속파 레이저(L1)를 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)에 맞추어 랜덤-연속 펄스 형태로 변조하여 변조 레이저(Modulated Laser, ML)를 출력할 수 있다. 변조 레이저(ML)는 라이다 광학계(120)에 입력된다.
라이다 광학계(120)는 변조 레이저(ML)를 타겟(200)으로 보낸다. 라이다 광학계(120)는 변조 레이저(ML)의 직경 및 방향을 조절하기 위한 광학계 시스템을 포함할 수 있다. 타겟(200)에 의해 반사되는 반사 레이저(Reflected Laser, RL)는 송신된 변조 레이저(ML)의 파워, 거리 및 타겟(200)의 종류에 따라 광자레벨의 적은 수준으로 라이다 광학계(120)로 입사될 수 있다. 라이다 광학계(120)는 반사 레이저(RL)를 수신하여 제2 단일광자검출기(130)에 입력할 수 있다.
제2 단일광자검출기(130)는 반사 레이저(RL)의 광자 수를 세어서 제2 단일광자검출 펄스 신호(C2)를 출력할 수 있다. 제2 단일광자검출 펄스 신호(C2)는 양자광원의 랜덤하게 생성된 시간정보를 가지고 있다. 제2 단일광자검출 펄스 신호(C2)는 전기적 신호로써 TTL 신호일 수 있다. 제2 단일광자검출 펄스 신호(C2)는 시간 상관 측정기(150)에 입력된다.
한편, 양자 소스부(113)에서 생성된 아이들러 광자(I)는 제3 단일광자검출기(140)에 입력될 수 있다. 제3 단일광자검출기(140)는 아이들러 광자(I)의 수를 세어서 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)를 출력할 수 있다. 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)는 양자광원의 랜덤하게 생성된 시간정보를 가지고 있다. 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)는 전기적 신호로써 TTL 신호일 수 있다. 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)는 시간 상관 측정기(150)에 입력된다.
시그널 광자(S)로부터 생성된 제1 및 제2 단일광자검출 펄스 신호(C1, C2)와 아이들러 광자(I)로부터 생성된 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)는 에너지-시간 상관관계를 갖게 된다.
시간 상관 측정기(150)는 입력되는 제2 단일광자검출 펄스 신호(C2)와 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)의 상관관계를 분석할 수 있으며, 이를 통해 타겟(200)과의 거리를 측정할 수 있다.
이하, 도 2 내지 7에서 다른 실시예에 따른 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다에 대하여 설명한다. 도 1의 실시예와 비교하여 차이점 위주로 설명하고, 동일한 구성에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다를 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스(110)는 빔 분할부(112)를 포함하지 않고, 대신에 서브 레이저(116)를 포함할 수 있다.
서브 레이저(116)는 레이저 변조를 위한 서브 연속파 레이저(L2)를 출력하여 레이저 변조기(115)에 입사시킬 수 있다. 서브 연속파 레이저(L2)는 소스 레이저(111)에서 출력되는 연속파 레이저(L1)와 다른 파장을 가질 수 있다. 이를 통해, 양자광원 생성에 적합한 연속파 레이저(L1)와 타겟(200)으로 보내는데 적합한 서브 연속파 레이저(L2)가 구분하여 적용될 수 있다. 예를 들어, 양자광원 생성에 적합한 연속파 레이저(L1)로 405nm 파장의 레이저가 사용되고, 서브 연속파 레이저(L2)로 대기중 손실이 적은 1550nm 파장의 레이저가 사용될 수 있다. 1550nm 파장의 레이저는 대기중 손실이 적은 대신에 양자광원 생성에는 적합하지 않다. 서브 레이저(116)는 특정 파장의 레이저를 출력할 수 있는 LED 광원을 포함할 수 있다.
레이저 변조기(115)는 서브 연속파 레이저(L2)를 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)에 맞추어 랜덤-연속 펄스 형태로 변조하여 변조 레이저(ML)를 출력할 수 있다.
이러한 차이점을 제외하고, 도 1의 실시예에서 설명한 특징들은 도 2의 실시예에 동일하게 적용될 수 있으므로 동일한 구성에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다를 나타내는 블록도이다.
도 3을 참조하면, 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스(110)는 소스 레이저(111) 및 빔 분할부(112)를 포함하지 않고, 대신에 양자 소스부(113)가 소스 레이저(111)의 역할을 하는 양자광원을 포함할 수 있다. 그리고 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스(110)는 레이저 변조를 위한 서브 연속파 레이저(L2)를 출력하는 서브 레이저(116)를 포함할 수 있다. 서브 연속파 레이저(L2)는 양자 소스부(113)가 사용하는 양자광원과 다른 파장을 가질 수 있다. 예를 들어, 서브 연속파 레이저(L2)로 대기중 손실이 적은 1550nm 파장의 레이저가 사용될 수 있다. 1550nm 파장의 레이저는 대기중 손실이 적은 대신에 양자광원 생성에는 적합하지 않다.
레이저 변조기(115)는 서브 연속파 레이저(L2)를 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)에 맞추어 랜덤-연속 펄스 형태로 변조하여 변조 레이저(ML)를 출력할 수 있다.
이러한 차이점을 제외하고, 도 1의 실시예에서 설명한 특징들은 도 3의 실시예에 동일하게 적용될 수 있으므로 동일한 구성에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다를 나타내는 블록도이다.
도 4를 참조하면, 라이다(100)는 제3 단일광자검출기(140)를 포함하지 않고, 대신에 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스(110)의 제1 단일광자검출기(114)가 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)와 동일한 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)를 출력하여 시간 상관 측정기(150)에 전달할 수 있다. 제1 단일광자검출기(114)가 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)를 분할하여 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)를 생성할 수 있다. 이때, 아이들러 광자(I)는 덤프(Dump)에 의해 제거될 수 있다.
동일한 시그널 광자(S)로부터 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)와 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)가 생성되므로, 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)는 제1 및 제2 단일광자검출 펄스 신호(C1, C2)와 에너지-시간 상관관계를 가지며, 시간 상관 측정기(150)는 입력되는 제2 단일광자검출 펄스 신호(C2)와 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)의 상관관계를 분석할 수 있으며, 이를 통해 타겟(200)의 거리를 측정할 수 있다.
이러한 차이점을 제외하고, 도 1의 실시예에서 설명한 특징들은 도 4의 실시예에 동일하게 적용될 수 있으므로 동일한 구성에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다를 나타내는 블록도이다.
도 5를 참조하면, 라이다(100)는 제3 단일광자검출기(140)를 포함하지 않고, 대신에 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스(110)의 제1 단일광자검출기(114)가 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)와 동일한 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)를 출력하여 시간 상관 측정기(150)에 전달할 수 있다. 이때, 양자 소스부(113)는 시그널 광자(S)와 아이들러 광자(I) 중 하나의 광자(P)만을 출력하도록 구성될 수 있다. 양자 소스부(113)는 내부에 마련된 범프 등을 이용하여 다른 하나의 광자를 제거할 수 있다.
동일한 광자(P)로부터 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)와 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)가 생성되므로, 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)는 제1 및 제2 단일광자검출 펄스 신호(C1, C2)와 에너지-시간 상관관계를 가지며, 시간 상관 측정기(150)는 입력되는 제2 단일광자검출 펄스 신호(C2)와 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)의 상관관계를 분석할 수 있으며, 이를 통해 타겟(200)의 거리를 측정할 수 있다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다를 나타내는 블록도이다.
도 6을 참조하면, 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스(110)는 빔 분할부(112)를 포함하지 않고, 대신에 서브 레이저(116)를 포함할 수 있다. 서브 레이저(116)는 레이저 변조를 위한 서브 연속파 레이저(L2)를 출력하여 레이저 변조기(115)에 입사시킬 수 있다. 서브 연속파 레이저(L2)는 소스 레이저(111)에서 출력되는 연속파 레이저(L1)와 다른 파장을 가질 수 있다. 이를 통해, 양자광원 생성에 적합한 연속파 레이저(L1)와 타겟(200)으로 보내는데 적합한 서브 연속파 레이저(L2)가 구분하여 적용될 수 있다. 예를 들어, 양자광원 생성에 적합한 연속파 레이저(L1)로 405nm 파장의 레이저가 사용되고, 서브 연속파 레이저(L2)로 대기중 손실이 적은 1550nm 파장의 레이저가 사용될 수 있다.
그리고 라이다(100)는 제3 단일광자검출기(140)를 포함하지 않고, 대신에 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스(110)의 제1 단일광자검출기(114)가 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)와 동일한 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)를 출력하여 시간 상관 측정기(150)에 전달할 수 있다. 제1 단일광자검출기(114)가 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)를 분할하여 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)를 생성할 수 있다. 이때, 아이들러 광자(I)는 덤프(Dump)에 의해 제거될 수 있다.
동일한 시그널 광자(S)로부터 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)와 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)가 생성되므로, 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)는 제1 및 제2 단일광자검출 펄스 신호(C1, C2)와 에너지-시간 상관관계를 가지며, 시간 상관 측정기(150)는 입력되는 제2 단일광자검출 펄스 신호(C2)와 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)의 상관관계를 분석할 수 있으며, 이를 통해 타겟(200)의 거리를 측정할 수 있다.
이러한 차이점을 제외하고, 도 1의 실시예에서 설명한 특징들은 도 6의 실시예에 동일하게 적용될 수 있으므로 동일한 구성에 대한 중복되는 설명은 생략한다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스 및 이를 이용한 라이다를 나타내는 블록도이다.
도 7을 참조하면, 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스(110)는 빔 분할부(112)를 포함하지 않고, 대신에 서브 레이저(116)를 포함할 수 있다. 서브 레이저(116)는 레이저 변조를 위한 서브 연속파 레이저(L2)를 출력하여 레이저 변조기(115)에 입사시킬 수 있다. 서브 연속파 레이저(L2)는 소스 레이저(111)에서 출력되는 연속파 레이저(L1)와 다른 파장을 가질 수 있다. 이를 통해, 양자광원 생성에 적합한 연속파 레이저(L1)와 타겟(200)으로 보내는데 적합한 서브 연속파 레이저(L2)가 구분하여 적용될 수 있다.
양자 소스부(113)는 포타슘 타이타일 포스페이트(ppKTP)의 비선형 결정(1131), 제1 렌즈(1132), 제2 렌즈(1133) 및 빔 가르개(Beam Splitter, BS)(1134)를 포함할 수 있다.
연속파 레이저(L1)는 405nm 파장의 펌프 레이저일 수 있다. 연속파 레이저(L1)는 제1 렌즈(1132)를 통해 비선형 결정(1131)에 입사될 수 있다.
비선형 결정(141)은 연속파 레이저(L1)가 입력되면 자발 매개 하향 변환(SPDC)을 일으키고, SPDC에 의해 연속파 레이저(L1)의 입사 광자 하나가 파장이 변환된 2개의 광자를 생성될 수 있다. 비선형 결정(141)의 온도는 온도 조절기(미도시)에 의해 일정한 온도로 유지될 수 있고, 에너지 보존과 위상정합조건이 만족되는 온도에서 비선형 결정(141)에 의해 810nm의 파장을 가지는 광자쌍이 생성될 수 있다. 광자쌍의 2개의 광자는 연속파 레이저(L1)의 입사 광자와 동일한 경로로 이동하는 공선(collinear) 조건을 맞출 수 있다. 광자쌍은 제2 렌즈(1133)에 의해 빔 가르개(1134)에 입사될 수 있다.
빔 가르개(1134)는 편광이 반대인 광자쌍을 분리할 수 있는 편광 빔 가르개일 수 있다. 광자쌍 중 하나는 수평 방향으로 편광된 수평편광(제1 편광)일 수 있고, 광자쌍 중 다른 하나는 수직 방향으로 편광된 수직편광(제2 편광)일 수 있다. 수평편광은 빔 가르개(1134)를 투과하여 제3 단일광자검출기(140)에 입사되고, 수직편광은 빔 가르개(1134)에 의해 굴절되어 제1 단일광자검출기(114)에 입사될 수 있다. 수평편광을 아이들러 광자(I)라 하고, 수직편광을 시그널 광자(S)라 할 수 있다.
제1 단일광자검출기(114)와 제3 단일광자검출기(140) 각각은 광섬유 커플러를 구비하여 각각 시그널 광자(S)와 아이들러 광자(I)를 포집할 수 있다.
레이저 변조기(115)는 서브 연속파 레이저(L2)를 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)에 맞추어 랜덤-연속 펄스 형태로 변조하여 변조 레이저(ML)를 출력할 수 있다. 레이저 변조기(115)는 전계-광학 변조기(electro optic modulator, EOM)일 수 있다.
도 7의 실시예에 따른 양자 소스부(113)의 구조는 상술한 도 1 내지 6의 실시예에 적용될 수 있다.
도 8 및 9를 참조하여 시그널 광자(S)를 제1 단일광자검출기(114)로 검출한 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)와 레이저 변조기(115)를 통해 출력되는 변조 레이저(ML)에 대하여 설명한다.
도 8은 일 실시예에 따른 시그널 광자를 단일광자검출기로 검출한 단일광자검출 펄스 신호를 나타내는 그래프이다. 도 9는 일 실시예에 따른 전계-광학 변조기를 지나 광 검출기로 측정된 랜덤-변조 레이저 펄스를 나타내는 그래프이다.
도 8 및 9를 참조하면, 제1 단일광자검출기(114)로 검출한 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)는 약 12ns의 반폭(Full width half maximun, FWHM)을 가지는 펄스의 형태이다. 이러한 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)를 변조 신호로 사용하는 레이저 변조기(115)에서 출력되는 변조 레이저(ML)를 광검출기와 오실로스코프를 이용하여 측정하였을 때 변조 레이저(ML)의 파형이 제1 단일광자검출 펄스 신호(C1)의 모양이나 펄스폭이 거의 일치함을 확인할 수 있다.
다시 도 7을 참조하면, 라이다 광학계(120)는 송신기(Tx)와 수신기(Rx)를 포함할 수 있다. 송신기(Tx)를 통해 변조 레이저(ML)가 타겟(200)을 향해 방사될 수 있다. 수신기(Rx)는 타겟(200)에 의해 반사된 반사 레이저(RL)를 수신할 수 있다. 수신기(Rx)를 통해 수신된 반사 레이저(RL)가 제2 단일광자검출기(130)로 입력될 수 있다.
시간 상관 측정기(150)는 시간 상관 단일광자 계수기(time correlated single photon counting, TCSPC)(151) 및 거리 산출부(152)를 포함할 수 있다.
제3 단일광자검출기(140)가 아이들러 광자(I)를 입력받아 출력하는 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)는 시간 상관 단일광자 계수기(151)로 입력되어 시작 신호(Start)로 사용될 수 있다.
제2 단일광자검출기(130)가 반사 레이저(RL)를 입력받아 출력하는 제2 단일광자검출 펄스 신호(C2)는 시간 상관 단일광자 계수기(151)에 입력되어 멈춤 신호(Stop)로 사용될 수 있다.
시간 상관 단일광자 계수기(151)는 제2 단일광자검출 펄스 신호(C2)와 제3 단일광자검출 펄스 신호(C3)의 상호 상관관계를 측정하여 지연시간을 산출할 수 있다.
도 10 및 11을 참조하여 아이들러 광자(I)와 타겟(200)에 반사된 제2 단일광자검출기(130)에 입력되는 반사 레이저(RL)인 감쇄된 랜덤-변조 레이저의 단일광자 생성률과 상호 상관관계 함수에 대하여 실험한 결과에 대하여 설명한다.
도 10은 일 실시예에 따른 아이들러 광자와 감쇄된 랜덤-변조 레이저의 단일광자 생성률을 나타내는 그래프이다. 도 11은 일 실시예에 따른 아이들러 광자와 감쇄된 랜덤-변조 레이저의 상호 상관관계 함수를 나타내는 그래프이다.
도 10 및 11을 참조하면, 변조 레이저(ML)가 대기중을 진행하여 타겟(200)에 반사된 후 제2 단일광자검출기(130)에 입력되는 동안 감쇄되더라도 충분히 검출될 수 있으며, 아이들러 광자(I)와 상호 상관관계를 이룰 수 있음을 알 수 있다.
다시 도 7을 참조하면, 거리 산출부(152)는 산출된 지연시간과 광속을 곱하여 타겟(200)과의 거리를 산출할 수 있다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스를 나타내는 블록도이다.
도 12를 참조하면, 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스(110)에 포함된 양자 소스부(113)는 소스 레이저(111)에서 출력되는 연속파 레이저(L1)의 광경로 상에 순서대로 위치하는 렌즈 세트(1141), 1/4 파장판(Quarter Wave Plate, QWP)(1142), 제1 반파장판(Half Wave Plate, HWP)(1143), 편광 빔 가르개(1144), 제1 미러(1145), 제2 미러(1146), 제2 반파장판(1147), 제1 렌즈(1132), 비선형 결정(1131), 제2 렌즈(1133), 다이크로익 미러(dichroic mirror)(1148) 및 빔 가르개(1134)를 포함할 수 있다. 그리고 양자 소스부(113)는 비선형 결정(1131)의 온도를 조절하여 광자 쌍이 나오는 각도를 조절하기 위한 온도 조절기(1135), 시그널 광자(S)를 포집하기 위한 제1 광섬유 커플러(1151)와 아이들러 광자(I)를 포집하기 위한 제2 광섬유 커플러(1152)를 포함할 수 있다.
렌즈 세트(1141)는 하나 이상의 렌즈를 포함하여 소스 레이저(111)로부터 입력되는 연속파 레이저(L1)(405nm 파장의 레이저)의 폭을 조절하고 직선 광 형태로 만들 수 있다.
1/4 파장판(1142)과 제1 반파장판(1143)은 연속파 레이저(L1)의 파장을 수평 방향으로 정확하게 조절하여 역할을 할 수 있다.
편광 빔 가르개(1144)는 수평편광을 통과시키고 수직편광을 굴절시켜 연속파 레이저(L1)에서 수직편광을 제거하는 역할을 할 수 있다.
수평편광의 연속파 레이저(L1)는 제1 미러(1145), 제2 미러(1146), 제2 반파장판(1147) 및 제1 렌즈(1132)를 통해 비선형 결정(1131)에 입사될 수 있다.
비선형 결정(1131)의 자발 매개 하향 변환(SPDC)으로 810nm 파장을 갖는 광자쌍이 생성될 수 있다. 이때, 온도 조절기(1135)는 비선형 결정(1131)의 온도를 일정하여 유지하여 2개의 광자가 연속파 레이저(L1)의 입사 광자와 동일한 경로를 따라 진행하도록 할 수 있다.
다이크로익 미러(1148)는 특정 파장 이상의 빛만 통과시키며, 비선형 결정(1131)을 투과한 연속파 레이저(L1)를 반사하고 광자쌍을 투과시킬 수 있다. 예를 들어, 다이크로익 미러(1148)의 차단(cut-off) 파장은 650nm 파장일 수 있고, 다이크로익 미러(1148)에 의해 405nm의 연속파 레이저(L1)는 반사되어 덤프에 의해 제거되고, 810nm 파장의 광자쌍은 다이크로익 미러(1148)를 투과할 수 있다.
빔 가르개(1134)는 광자쌍을 시그널 광자(S)와 아이들러 광자(I)로 분리할 수 있다. 시그널 광자(S)는 제1 광섬유 커플러(1151)를 통해 제1 단일광자검출기(114)에 입력되고, 아이들러 광자(I)는 제2 광섬유 커플러(1152)를 통해 제3 단일광자검출기(140)에 입력될 수 있다.
도 12의 실시예에 따른 양자 소스부(113)의 구조는 상술한 도 1 내지 6의 실시예에 적용될 수 있다.
지금까지 참조한 도면과 기재된 발명의 상세한 설명은 단지 본 발명의 예시적인 것으로서, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
100: 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스
111: 소스 레이저
112: 빔 분할부
113: 양자 소스부
114: 제1 단일광자검출기
115: 레이저 변조기
116: 서브 레이저
120: 라이다 광학계
130: 제2 단일광자검출기
140: 제3 단일광자검출기
150: 시간 상관 측정기
200: 타겟

Claims (16)

  1. 연속파 레이저를 출력하는 소스 레이저;
    상기 연속파 레이저를 이용하여 시그널 광자 및 아이들러 광자를 생성하는 양자 소스부;
    상기 시그널 광자의 수를 세어서 단일광자검출 펄스 신호를 출력하는 단일광자검출기;
    상기 연속파 레이저를 상기 단일광자검출 펄스 신호에 맞추어 랜덤-연속 펄스 형태로 변조하여 변조 레이저를 출력하는 레이저 변조기; 및
    상기 소스 레이저에서 출력되는 연속파 레이저를 분할하여 상기 양자 소스부와 상기 레이저 변조기로 입력시키는 빔 분할부를 포함하는 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스.
  2. 제1 항에 있어서,
    상기 양자 소스부는 자발 매개 하향 변환을 일으키는 비선형 결정을 이용하여 상기 시그널 광자와 상기 아이들러 광자를 생성하는 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스.
  3. 삭제
  4. 연속파 레이저를 출력하는 소스 레이저;
    레이저 변조를 위한 서브 연속파 레이저를 출력하는 서브 레이저;
    상기 연속파 레이저를 이용하여 시그널 광자 및 아이들러 광자를 생성하는 양자 소스부;
    상기 시그널 광자의 수를 세어서 단일광자검출 펄스 신호를 출력하는 단일광자검출기; 및
    상기 서브 연속파 레이저를 상기 단일광자검출 펄스 신호에 맞추어 랜덤-연속 펄스 형태로 변조하여 변조 레이저를 출력하는 레이저 변조기를 포함하는 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스.
  5. 제4 항에 있어서,
    상기 양자 소스부는 자발 매개 하향 변환을 일으키는 비선형 결정을 이용하여 상기 시그널 광자와 상기 아이들러 광자를 생성하는 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스.
  6. 제1 단일광자검출기로 광자의 수를 세어서 제1 단일광자검출 펄스 신호를 생성하고, 상기 제1 단일광자검출 펄스 신호에 맞추어 랜덤-연속 펄스 형태의 변조 레이저를 출력하는 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스;
    상기 변조 레이저를 타겟으로 보내고, 타겟에 의해 반사되는 반사 레이저를 수신하는 라이다 광학계;
    상기 반사 레이저의 광자 수를 세어서 제2 단일광자검출 펄스 신호를 출력하는 제2 단일광자검출기; 및
    상기 제2 단일광자검출 펄스 신호와 제3 단일광자검출 펄스 신호와의 상관관계를 분석하여 상기 타겟과의 거리를 측정하는 시간 상관 측정기를 포함하는 라이다.
  7. 제6 항에 있어서,
    상기 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스는,
    연속파 레이저를 출력하는 소스 레이저;
    상기 연속파 레이저를 이용하여 시그널 광자 및 아이들러 광자를 생성하는 양자 소스부;
    상기 시그널 광자의 수를 세어서 상기 제1 단일광자검출 펄스 신호를 출력하는 상기 제1 단일광자검출기; 및
    상기 연속파 레이저를 상기 단일광자검출 펄스 신호에 맞추어 상기 변조 레이저를 출력하는 레이저 변조기를 포함하는 라이다.
  8. 제7 항에 있어서,
    상기 아이들러 광자의 수를 세어서 상기 제3 단일광자검출 펄스 신호를 출력하는 제3 단일광자검출기를 더 포함하는 라이다.
  9. 제7 항에 있어서,
    상기 제1 단일광자검출기는 상기 제1 단일광자검출 펄스 신호와 동일한 상기 제3 단일광자검출 펄스 신호를 생성하여 상기 시간 상관 측정기에 입력하는 라이다.
  10. 제8 항 또는 제9 항에 있어서,
    상기 시간 상관 측정기는 제3 단일광자검출 펄스 신호를 시작 신호로 사용하고 상기 제2 단일광자검출 펄스 신호를 멈춤 신호로 사용하여 상기 제2 단일광자검출 펄스 신호와 상기 제3 단일광자검출 펄스 신호의 상관관계를 측정하는 시간 상관 단일광자 계수기를 포함하는 라이다.
  11. 제7 항에 있어서,
    상기 양자 소스부는 자발 매개 하향 변환을 일으키는 비선형 결정을 이용하여 상기 시그널 광자와 상기 아이들러 광자를 생성하는 라이다.
  12. 제6 항에 있어서,
    상기 얽힘 광원 변조 기반 시간 상관 단일광자계수 레이저 소스는,
    연속파 레이저를 출력하는 소스 레이저;
    레이저 변조를 위한 서브 연속파 레이저를 출력하는 서브 레이저;
    상기 연속파 레이저를 이용하여 시그널 광자 및 아이들러 광자를 생성하는 양자 소스부;
    상기 시그널 광자의 수를 세어서 상기 제1 단일광자검출 펄스 신호를 출력하는 제1 단일광자검출기; 및
    상기 서브 연속파 레이저를 상기 제1 단일광자검출 펄스 신호에 맞추어 상기 변조 레이저를 출력하는 레이저 변조기를 포함하는 라이다.
  13. 제12 항에 있어서,
    상기 아이들러 광자의 수를 세어서 상기 제3 단일광자검출 펄스 신호를 출력하는 제3 단일광자검출기를 더 포함하는 라이다.
  14. 제12 항에 있어서,
    상기 제1 단일광자검출기는 상기 제1 단일광자검출 펄스 신호와 동일한 상기 제3 단일광자검출 펄스 신호를 생성하여 상기 시간 상관 측정기에 입력하는 라이다.
  15. 제13 항 또는 제14 항에 있어서,
    상기 시간 상관 측정기는 제3 단일광자검출 펄스 신호를 시작 신호로 사용하고 상기 제2 단일광자검출 펄스 신호를 멈춤 신호로 사용하여 상기 제2 단일광자검출 펄스 신호와 상기 제3 단일광자검출 펄스 신호의 상관관계를 측정하는 시간 상관 단일광자 계수기를 포함하는 라이다.
  16. 제12 항에 있어서,
    상기 양자 소스부는 자발 매개 하향 변환을 일으키는 비선형 결정을 이용하여 상기 시그널 광자와 상기 아이들러 광자를 생성하는 라이다.
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JP2016502073A (ja) * 2012-11-12 2016-01-21 テヒニッシェ ウニヴェルズィテート ハンブルク−ハーブルクTechnische Universitaet Hamburg−Harburg ライダ測定システム及びライダ測定方法
JP2020053894A (ja) * 2018-09-27 2020-04-02 沖電気工業株式会社 認証側装置、認証システム及び認証方法
KR20220077007A (ko) * 2020-12-01 2022-06-08 국방과학연구소 광-마이크로파 양자 얽힘 광자쌍 생성 장치 및 그 방법, 이를 이용한 양자 레이더

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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