KR102503802B1 - Fiber auto-coupling method using fast-steering mirror and transmitting and receiving optical system suing the same - Google Patents

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KR102503802B1
KR102503802B1 KR1020220107771A KR20220107771A KR102503802B1 KR 102503802 B1 KR102503802 B1 KR 102503802B1 KR 1020220107771 A KR1020220107771 A KR 1020220107771A KR 20220107771 A KR20220107771 A KR 20220107771A KR 102503802 B1 KR102503802 B1 KR 102503802B1
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KR
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speed adjustment
adjustment mirror
correlation value
optical fiber
mirror
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KR1020220107771A
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임도훈
김동규
인용섭
박경득
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국방과학연구소
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Abstract

A transceiving optical system may comprise: a photon light source generating a signal photon and an idler photon; a first single photon detector which outputs a first single photon detection signal by counting the number of the idler photon; a first quick adjusting mirror which reflects a beam incident after the signal photon passes a free space; a second quick adjusting mirror which reflects the beam reflected by the first quick adjusting mirror; a collimator which collects the beam reflected by the second quick adjusting mirror to allow the same to be incident along an optical fiber; a second single photon detector which outputs a second single photon detection signal by counting the number of the signal photon; and a correlation value measurer which analyzes the correlation between the first single photon detection signal and the second single photon detection signal to measure a correlation value, and adjusts the angle of the first quick adjusting mirror and the second quick adjusting mirror such that the correlation value may be maximized. Therefore, coupling efficiency may be maximized.

Description

고속조정 거울을 이용한 광섬유 자동 커플링 방법 및 이를 이용한 송수신 광학계{FIBER AUTO-COUPLING METHOD USING FAST-STEERING MIRROR AND TRANSMITTING AND RECEIVING OPTICAL SYSTEM SUING THE SAME}Optical fiber automatic coupling method using high-speed adjustment mirror and transmission/reception optical system using the same

본 발명은 고속조정 거울을 이용한 광섬유 자동 커플링 방법 및 이를 이용한 송수신 광학계에 관한 것이다. The present invention relates to an optical fiber automatic coupling method using a high-speed adjustment mirror and a transmission/reception optical system using the same.

양자무선통신을 위해서는 광원의 광섬유로의 결합(coupling)이 필요하다. 여기서 커플링 효율을 높이는 것이 시스템의 효율을 크게 높일 수 있는 주요 기술이다. 광섬유는 단일모드 광섬유(Single-Mode fiber, SMF) 및 다중모드 광섬유(Multi-Mode fiber, MMF)가 될 수 있으며, MMF의 경우 코어의 크기가 커서 높은 커플링 효율을 보여주지만, SMF의 경우 작은 크기의 코어로 높은 수준의 광 정렬을 필요로 한다.Quantum wireless communication requires coupling of a light source to an optical fiber. Here, increasing the coupling efficiency is a major technology that can greatly increase the efficiency of the system. Optical fibers can be single-mode fibers (SMF) and multi-mode fibers (MMF). In the case of MMF, the size of the core is large and shows high coupling efficiency, but in the case of SMF, This size core requires a high level of optical alignment.

일반적으로 양자무선통신은 송신부와 수신부가 장거리로 떨어져 있으며, 송신부와 수신부의 위치 차이로 인하여 온도에 의한 대기 상태나, 송수신부의 지면 상황에 따라 천천히 위치가 틀어지게 된다. 이를 보정하기 위하여 비컨 레이저(Beacon Laser) 및 전하결합소자(charge coupled device, CCD)를 사용하여 송수신부의 정렬 상태를 측정하고 송수신부의 2축 짐벌을 조정하여 정렬 상태를 보정한다. 또한, 송신부에서 나온 레이저는 대기를 지나며 대기유동에 의하여 매우 빠른 빔 위치의 떨림(beam wander)이 발생하기 때문에, 커플링 효율값이 평균값을 중심으로 매우 크게 변화하게 된다.In general, in quantum wireless communication, a transmitter and a receiver are separated from each other by a long distance, and due to a difference in position of the transmitter and receiver, the location of the transmitter and receiver is slowly shifted depending on the standby state due to temperature or the ground condition of the transmitter and receiver. To correct this, the alignment state of the transceiver is measured using a beacon laser and a charge coupled device (CCD), and the alignment state is corrected by adjusting the two-axis gimbal of the transceiver. In addition, since the laser emitted from the transmitter passes through the atmosphere and very fast beam wander occurs due to atmospheric flow, the coupling efficiency value changes very greatly around the average value.

이러한 상황에서 안정적인 양자무선통신을 위해서는 매우 빠른 빔 위치 떨림에 의한 커플링 효율 변화 속에서 천천히 틀어지는 레이저의 방향 변화에 따른 평균 커플링 효율 저하를 최대치로 유지할 수 있는 알고리즘이 필요하다.In this situation, for stable quantum wireless communication, an algorithm that can maintain the average coupling efficiency decrease due to the direction change of the slowly twisting laser in the coupling efficiency change due to the very fast beam position fluctuation is required.

대부분의 시스템은 앞서 설명한 바와 같이 비컨 레이저, CCD 및 2축 짐벌을 사용하는 방법을 사용한다. 이 방법은 수신부의 크기가 작거나, 송수신부가 수백 km 떨어져 레이저가 수신부로 들어오지 못할 정도로 정렬이 틀어질 경우 매우 유용하나, 틀어짐이 수신부 내에서 움직일 경우엔 효율적이지 않으며 비용적인 측면에서도 부담이 될 수 있다.Most systems use a method using a beacon laser, CCD, and 2-axis gimbal as described above. This method is very useful when the size of the receiver is small or the transmitter and receiver are out of alignment to such an extent that the laser cannot enter the receiver hundreds of kilometers away. there is.

본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는 비컨 레이저를 사용하지 않고 고속조정 거울을 이용하여 송수신하는 레이저나 단일광자 수준의 얽힘광원 송수신시 커플링 효율이 최대가 될 수 있도록 하는 고속조정 거울을 이용한 광섬유 자동 커플링 방법 및 이를 이용한 송수신 광학계를 제공함에 있다.The technical problem to be solved by the present invention is a laser that transmits and receives using a high-speed mirror without using a beacon laser, or an optical fiber using a high-speed mirror that maximizes the coupling efficiency when transmitting and receiving a single-photon level entanglement light source. An object of the present invention is to provide a coupling method and a transmission/reception optical system using the coupling method.

본 발명의 일 실시예에 따른 송수신 광학계는 자발 매개 하향 변환을 일으키는 비선형 결정을 이용하여 시그널 광자 및 아이들러 광자를 생성하는 양자 광원, 상기 아이들러 광자의 수를 세어서 제1 단일광자검출신호를 출력하는 제1 단일광자검출기, 상기 시그널 광자가 자유공간을 지나 입사되는 빔을 반사하는 제1 고속조정 거울, 상기 제1 고속조정 거울에 반사된 빔을 반사하는 제2 고속조정 거울, 상기 제2 고속조정 거울에 반사된 빔을 포집하여 광섬유에 입사시키는 시준기, 상기 광섬유를 통해 보내지는 시그널 광자의 수를 세어서 제2 단일광자검출신호를 출력하는 제2 단일광자검출기, 및 상기 제1 단일광자검출신호와 상기 제2 단일광자검출신호의 상관관계를 분석하여 상관값을 측정하고, 상기 상관값이 최대가 되도록 상기 제1 고속조정 거울 및 상기 제2 고속조정 거울의 각도를 조정하는 상관값 측정기를 포함한다. A transmission/reception optical system according to an embodiment of the present invention includes a quantum light source generating signal photons and idler photons using a nonlinear crystal that causes spontaneous mediated down-conversion, counting the number of idler photons and outputting a first single photon detection signal. A first single photon detector, a first high-speed adjustment mirror for reflecting the incident beam of the signal photon passing through free space, a second high-speed adjustment mirror for reflecting the beam reflected by the first high-speed adjustment mirror, and the second high-speed adjustment mirror A collimator that collects the beam reflected by the mirror and makes it incident on an optical fiber, a second single photon detector that counts the number of signal photons sent through the optical fiber and outputs a second single photon detection signal, and the first single photon detection signal and a correlation value measurer configured to analyze a correlation between the first single photon detection signal and the second single photon detection signal to measure a correlation value, and to adjust the angles of the first high-speed adjustment mirror and the second high-speed adjustment mirror so that the correlation value is maximized. do.

상기 상관값 측정기는 상기 광섬유에 대한 커플링 효율이 최대가 되도록 상기 제1 고속조정 거울 및 상기 제2 고속조정 거울의 각도를 조정하고, 상기 커플링 효율은 수학식

Figure 112022089955510-pat00001
에 의해 산출되고,
Figure 112022089955510-pat00002
,
Figure 112022089955510-pat00003
,
Figure 112022089955510-pat00004
이고,
Figure 112022089955510-pat00005
,
Figure 112022089955510-pat00006
이고,
Figure 112022089955510-pat00007
은 유효 모드 필드 반경으로
Figure 112022089955510-pat00008
이고,
Figure 112022089955510-pat00009
는 모드 필드 반경이고,
Figure 112022089955510-pat00010
는 입사되는 빔의 허리 반경이고,
Figure 112022089955510-pat00011
는 입사되는 빔의 파장이고,
Figure 112022089955510-pat00012
은 상기 제1 고속조정 거울과 상기 제2 고속조정 거울 사이에서 빔의 진행 거리,
Figure 112022089955510-pat00013
는 상기 제2 고속조정 거울과 상기 시준기의 초점 렌즈 사이에서 빔의 진행 거리,
Figure 112022089955510-pat00014
는 상기 초점 렌즈의 초점 거리,
Figure 112022089955510-pat00015
은 상기 제1 고속조정 거울의 수평 각도 성분,
Figure 112022089955510-pat00016
는 상기 제2 고속조정 거울의 수평 각도 성분,
Figure 112022089955510-pat00017
은 상기 제1 고속조정 거울의 수직 각도 성분,
Figure 112022089955510-pat00018
는 상기 제2 고속조정 거울의 수직 각도 성분,
Figure 112022089955510-pat00019
는 상기 시준기에 입사되는 빔의 수평 각도 성분,
Figure 112022089955510-pat00020
는 상기 시준기에 입사되는 빔의 수직 각도 성분일 수 있다. The correlation value measuring unit adjusts the angles of the first high-speed adjustment mirror and the second high-speed adjustment mirror so that the coupling efficiency for the optical fiber is maximized, and the coupling efficiency is obtained by Equation
Figure 112022089955510-pat00001
is calculated by
Figure 112022089955510-pat00002
,
Figure 112022089955510-pat00003
,
Figure 112022089955510-pat00004
ego,
Figure 112022089955510-pat00005
,
Figure 112022089955510-pat00006
ego,
Figure 112022089955510-pat00007
is the effective mode field radius
Figure 112022089955510-pat00008
ego,
Figure 112022089955510-pat00009
is the mode field radius,
Figure 112022089955510-pat00010
is the waist radius of the incident beam,
Figure 112022089955510-pat00011
is the wavelength of the incident beam,
Figure 112022089955510-pat00012
is the traveling distance of the beam between the first high-speed adjustment mirror and the second high-speed adjustment mirror,
Figure 112022089955510-pat00013
Is the travel distance of the beam between the second high-speed adjustment mirror and the focus lens of the collimator,
Figure 112022089955510-pat00014
is the focal length of the focal lens,
Figure 112022089955510-pat00015
is the horizontal angular component of the first high-speed adjustment mirror,
Figure 112022089955510-pat00016
Is the horizontal angular component of the second high-speed adjustment mirror,
Figure 112022089955510-pat00017
is a vertical angular component of the first high-speed adjustment mirror,
Figure 112022089955510-pat00018
Is the vertical angular component of the second high-speed adjustment mirror,
Figure 112022089955510-pat00019
Is the horizontal angular component of the beam incident on the collimator,
Figure 112022089955510-pat00020
May be a vertical angular component of the beam incident on the collimator.

상기 광섬유는 단일모드 광섬유일 수 있다. The optical fiber may be a single mode optical fiber.

상기 상관값 측정기는 상기 제1 고속조정 거울과 상기 제2 고속조정 거울 중 어느 하나를 랜덤하게 움직여서 상관값이 측정되는 무작위 지점을 찾는 무작위 탐색을 수행할 수 있다. The correlation value measurer may perform a random search to find a random point where a correlation value is measured by randomly moving one of the first high-speed adjustment mirror and the second high-speed adjustment mirror.

상기 무작위 탐색에서 상기 무작위 지점이 탐색되면, 상기 상관값 측정기는 상기 무작위 탐색에서 움직인 고속조정 거울을 움직여서 입사되는 빔이 상기 광섬유에 정렬되는 정확한 각도를 찾는 각도 탐색을 수행할 수 있다.When the random point is searched in the random search, the correlation value measurer may perform an angle search to find an accurate angle at which an incident beam is aligned with the optical fiber by moving a high-speed adjustment mirror moved in the random search.

상기 각도 탐색이 완료되면, 상기 상관값 측정기는 상기 제1 고속조정 거울과 상기 제2 고속조정 거울을 동일한 각도로 움직여 상기 광섬유에 입사되는 위치의 격자점에서 상관값을 측정하여 최대 상관값이 측정된 지점을 찾는 위치 탐색을 수행할 수 있다. When the angle search is completed, the correlation value measurer moves the first high-speed adjustment mirror and the second high-speed adjustment mirror at the same angle to measure a correlation value at a lattice point at a position incident on the optical fiber, so that the maximum correlation value is measured. You can perform a location search to find a point that has been detected.

상기 상관값 측정기는 가우시안 필터를 이용하여 상기 격자점의 상관값에서 노이즈를 제거한 후 상기 최대 상관값이 측정된 지점을 찾을 수 있다.The correlation value measurer may remove noise from the correlation value of the lattice points using a Gaussian filter and then find a point where the maximum correlation value is measured.

본 발명의 다른 실시예에 따른 송수신 광학계는 수신되는 레이저 빔을 반사하는 제1 고속조정 거울, 상기 제1 고속조정 거울에 반사된 레이저 빔을 반사하는 제2 고속조정 거울, 상기 제2 고속조정 거울에 반사된 레이저 빔을 포집하여 광섬유에 입사시키는 시준기, 및 상기 광섬유를 통해 수신되는 레이저 빔의 전력값을 측정하고, 상기 전력값이 최대가 되도록 상기 제1 고속조정 거울 및 상기 제2 고속조정 거울의 각도를 조정하는 전력 측정기를 포함한다.A transmission/reception optical system according to another embodiment of the present invention includes a first high-speed adjustment mirror that reflects a received laser beam, a second high-speed adjustment mirror that reflects the laser beam reflected by the first high-speed adjustment mirror, and the second high-speed adjustment mirror. A collimator that collects the reflected laser beam and enters it into an optical fiber, and measures the power value of the laser beam received through the optical fiber, and the first high-speed adjustment mirror and the second high-speed adjustment mirror so that the power value is maximized. It includes a power meter that adjusts the angle of

상기 전력 측정기는 상기 제1 고속조정 거울과 상기 제2 고속조정 거울 중 어느 하나를 랜덤하게 움직여서 전력값이 측정되는 무작위 지점을 찾는 무작위 탐색을 수행할 수 있다. The power measurer may perform a random search to find a random point where a power value is measured by randomly moving one of the first high-speed adjustment mirror and the second high-speed adjustment mirror.

상기 무작위 탐색에서 상기 무작위 지점이 탐색되면, 상기 전력 측정기는 상기 무작위 탐색에서 움직인 고속조정 거울을 움직여서 입사되는 빔이 상기 광섬유에 정렬되는 정확한 각도를 찾는 각도 탐색을 수행할 수 있다.When the random point is searched for in the random search, the power meter may perform angle search to find an accurate angle at which an incident beam is aligned with the optical fiber by moving a high-speed adjustment mirror moved in the random search.

상기 각도 탐색이 완료되면, 상기 전력 측정기는 상기 제1 고속조정 거울과 상기 제2 고속조정 거울을 동일한 각도로 움직여 상기 광섬유에 입사되는 위치의 격자점에서 전력값을 측정하여 최대 전력값이 측정된 지점을 찾는 위치 탐색을 수행할 수 있다. When the angle search is completed, the power meter moves the first high-speed adjustment mirror and the second high-speed adjustment mirror at the same angle to measure the power value at the grid point at the position incident on the optical fiber, and the maximum power value is measured. You can perform a location search to find a point.

상기 전력 측정기는 가우시안 필터를 이용하여 상기 격자점의 전력값에서 노이즈를 제거한 후 상기 최대 전력값이 측정된 지점을 찾을 수 있다.The power measurer may remove noise from the power value of the lattice point using a Gaussian filter and then find a point where the maximum power value is measured.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 자유공간을 지나 입사되는 빔을 반사하는 제1 고속조정 거울, 상기 제1 고속조정 거울에 반사된 빔을 반사하는 제2 고속조정 거울 및 상기 제2 고속조정 거울에 반사된 빔을 포집하여 광섬유에 입사시키는 시준기를 포함하는 송수신 광학계가 광섬유 자동 커플링을 수행하는 방법은, 상기 제1 고속조정 거울과 상기 제2 고속조정 거울 중 어느 하나를 랜덤하게 움직여서 상관값이 측정되는 무작위 지점을 찾는 무작위 탐색을 수행하는 단계, 상기 무작위 탐색에서 움직인 고속조정 거울을 움직여서 입사되는 빔이 상기 광섬유에 정렬되는 정확한 각도를 찾는 각도 탐색을 수행하는 단계, 및 상기 제1 고속조정 거울과 상기 제2 고속조정 거울을 동일한 각도로 움직여 상기 광섬유에 입사되는 위치의 격자점에서 상관값을 측정하여 최대 상관값이 측정된 지점을 찾는 위치 탐색을 수행하는 단계를 포함한다. A first high-speed adjustment mirror for reflecting a beam incident through free space according to another embodiment of the present invention, a second high-speed adjustment mirror for reflecting the beam reflected by the first high-speed adjustment mirror, and the second high-speed adjustment mirror according to another embodiment of the present invention. A method for performing optical fiber automatic coupling by a transmission/reception optical system including a collimator for collecting a reflected beam and entering it into an optical fiber, wherein one of the first high-speed adjustment mirror and the second high-speed adjustment mirror is randomly moved to obtain a correlation value performing a random search to find a random point to be measured, performing an angle search to find an accurate angle at which an incident beam is aligned with the optical fiber by moving a high-speed adjustment mirror moved in the random search, and performing the first high-speed adjustment mirror and performing a location search to find a point where the maximum correlation value is measured by measuring a correlation value at a lattice point at a position incident on the optical fiber by moving the adjusting mirror and the second high-speed adjusting mirror at the same angle.

상기 각도 탐색을 수행하는 단계는, 상기 제1 고속조정 거울의 수평 각도 성분을 조정하면서 상관값을 측정하는 단계, 및 언덕 오르기 알고리즘을 이용하여 상관값의 최댓값이 측정되는 위치를 찾는 단계를 포함할 수 있다.The performing of the angle search may include measuring a correlation value while adjusting the horizontal angular component of the first high-speed adjustment mirror, and finding a position where the maximum value of the correlation value is measured using a hill climbing algorithm. can

상기 위치 탐색을 수행하는 단계는, 가우시안 필터를 이용하여 상기 격자점의 상관값에서 노이즈를 제거한 후 상기 최대 상관값이 측정된 지점을 찾는 단계, 및 상기 최대 상관값이 측정된 위치로 상기 제1 고속조정 거울 및 상기 제2 고속조정 거울을 조정하는 단계를 포함할 수 있다.The performing of the location search may include removing noise from the correlation value of the lattice point using a Gaussian filter and then finding a point where the maximum correlation value is measured, and the first as the location where the maximum correlation value is measured and adjusting the high-speed adjustment mirror and the second high-speed adjustment mirror.

언덕 오르기 알고리즘을 이용하여 상기 최대 상관값이 측정된 위치를 찾을 수 있다. A location where the maximum correlation value is measured may be found using a hill climbing algorithm.

상기 상관값은 자발 매개 하향 변환을 일으키는 비선형 결정을 이용하여 생성되는 아이들러 광자와 시그널 광자 각각이 단일광자검출기로 검출된 제1 단일광자검출신호와 제2 단일광자검출신호의 상관관계 분석으로 측정될 수 있다.The correlation value can be measured by analyzing the correlation between the first single photon detection signal and the second single photon detection signal in which each of the idler photon and the signal photon generated using a nonlinear crystal that causes spontaneous mediated down conversion is detected by a single photon detector. can

송수신 레이저나 양자광원의 위치 틀어짐이 수신부 내에서만 있을 경우 고속조정 거울을 이용하여 커플링 효율을 최대로 유지시킬 수 있고, 매우 빠른 대기유동에 의한 빛의 흔들림을 보정할 수 있다. If the displacement of the transceiver laser or quantum light source is only within the receiver, the coupling efficiency can be maximized by using a high-speed adjustment mirror, and the shaking of light caused by very fast atmospheric flow can be compensated.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 송수신 광학계를 나타내는 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 송수신 광학계에서 고속조정 거울의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속조정 거울을 이용한 광섬유 자동 커플링 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 고속조정 거울의 각도에 대한 커플링 효율을 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 탐색 과정에서 상관값을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 탐색 과정에서 가우시안 필터를 이용하여 측정된 상관값에서 노이즈를 제거한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 송수신 광학계의 광섬유 자동 커플링 성능을 확인하기 위한 실험의 결과를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 송수신 광학계를 나타내는 블록도이다.
도 9는 도 8의 송수신 광학계의 광섬유 자동 커플링 성능을 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.1 is a block diagram showing a transmission/reception optical system according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram for explaining the operation of a high-speed adjustment mirror in a transmission/reception optical system according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a flow chart showing an optical fiber automatic coupling method using a high-speed adjustment mirror according to an embodiment of the present invention.
4 is a graph showing coupling efficiency versus angle of two high-speed adjustment mirrors according to an embodiment of the present invention.
5 is a graph showing a result of measuring a correlation value in a location search process according to an embodiment of the present invention.
6 is a graph showing a result of removing noise from a correlation value measured using a Gaussian filter in a location search process according to an embodiment of the present invention.
7 is a graph showing the results of an experiment for confirming the automatic coupling performance of optical fibers of a transmission/reception optical system according to an embodiment of the present invention.
8 is a block diagram showing a transmission/reception optical system according to another embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a graph showing the result of testing the optical fiber automatic coupling performance of the transmission/reception optical system of FIG. 8 .

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.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, embodiments of the present invention will be described in detail so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. This invention may be embodied in many different forms and is not limited to the embodiments set forth herein.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.In order to clearly describe the present invention, parts irrelevant to the description are omitted, and the same reference numerals are assigned to the same or similar components throughout the specification.

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.In addition, throughout the specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated.

이하, 도 1 및 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 고속조정 거울을 이용한 광섬유 자동 커플링을 수행할 수 있는 송수신 광학계에 대하여 설명한다. Hereinafter, with reference to FIGS. 1 and 2, a transmission/reception optical system capable of performing automatic optical coupling using a high-speed adjustment mirror according to an embodiment of the present invention will be described.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 송수신 광학계를 나타내는 블록도이다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 송수신 광학계에서 고속조정 거울의 동작을 설명하기 위한 블록도이다.1 is a block diagram showing a transmission/reception optical system according to an embodiment of the present invention. 2 is a block diagram for explaining the operation of a high-speed adjustment mirror in a transmission/reception optical system according to an embodiment of the present invention.

도 1 및 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 송수신 광학계(10)는 양자무선통신을 수행하는 송신부(100) 및 수신부(200)를 포함한다. 송신부(100)는 양자 광원(Quantum Source)(110), 제1 빔확대기(Beam Expander)(120), 제1 시준기(Collimator)(130), 제1 단일광자검출기(Single Photon Count Module, SPCM)(140) 및 제1 통신모듈(150)을 포함할 수 있다. 수신부(200)는 제2 빔확대기(210), 제1 고속조정 거울(220), 제2 고속조정 거울(230), 제2 시준기(240), 제2 단일광자검출기(250), 제2 통신모듈(260) 및 상관값 측정기(270)를 포함할 수 있다.1 and 2, a transmission/reception optical system 10 according to an embodiment of the present invention includes a transmission unit 100 and a reception unit 200 performing quantum wireless communication. The transmitter 100 includes a quantum source 110, a first beam expander 120, a first collimator 130, and a first single photon count module (SPCM). (140) and a first communication module (150). The receiver 200 includes a second beam expander 210, a first high-speed adjustment mirror 220, a second high-speed adjustment mirror 230, a second collimator 240, a second single photon detector 250, and a second communication device. module 260 and correlation value estimator 270 .

양자 광원(110)은 자발 매개 하향 변환(Spontaneous Parametric Down Conversion, SPDC)을 일으키는 비선형 결정을 이용하여 시그널 광자(S)와 아이들러 광자(I)를 생성하는 얽힘광원일 수 있다. 연속파 레이저가 비선형 결정에 입사되면 SPDC에 의해 연속파 레이저의 입사 광자 하나가 파장이 변환된 2개의 얽힘 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. The quantum light source 110 may be an entanglement light source that generates signal photons (S) and idler photons (I) using a nonlinear crystal that causes spontaneous parametric down conversion (SPDC). When a continuous wave laser is incident on a nonlinear crystal, one incident photon of the continuous wave laser can be generated by SPDC into two entangled photon pairs whose wavelengths are converted, that is, a signal photon (S) and an idler photon (I). Examples of nonlinear crystals include periodically poled potassium titanyl phosphate (ppKTP) and beta barium borate (BBO) having a periodic poled structure.

양자 광원(110)은 시그널 광자(S)를 제1 빔확대기(120)를 통해 수신부(200)로 보낼 수 있다. 제1 빔확대기(120)는 장거리 송수신시 빔의 발산각을 줄이고 빔의 크기를 키우는 역할을 할 수 있다. 제1 빔확대기(120)를 통해 방사되는 시그널 광자(S)는 수신부(200)의 제2 빔확대기(210)로 입사될 수 있다. The quantum light source 110 may send signal photons S to the receiver 200 through the first beam expander 120 . The first beam expander 120 may play a role of reducing a divergence angle of a beam and increasing a beam size during long-distance transmission and reception. Signal photons S emitted through the first beam expander 120 may be incident to the second beam expander 210 of the receiver 200 .

양자 광원(110)은 아이들러 광자(I)를 제1 시준기(130)로 보낼 수 있다. 제1 시준기(130)는 아이들러 광자(I)를 포집하여 광섬유(135)를 통해 제1 단일광자검출기(140)로 보낼 수 있다.The quantum light source 110 may send idler photons I to the first collimator 130 . The first collimator 130 may collect idler photons I and send them to the first single photon detector 140 through the optical fiber 135 .

제1 단일광자검출기(140)는 입력되는 아이들러 광자(I)의 수를 세어서 제1 단일광자검출신호를 출력할 수 있다. 제1 단일광자검출신호는 얽힘광원의 랜덤하게 생성된 시간정보를 가지고 있다. 제1 단일광자검출신호는 전기적 신호로써 TTL(Transistor Transistor Logic) 신호일 수 있다. 제1 단일광자검출신호는 제1 통신모듈(150)을 통해 인터넷 회선(LAN, Wifi 등)이나 무선 레이저 통신 등과 같은 방법으로 수신부(200)의 제2 통신모듈(260)로 전송될 수 있다. 제2 통신모듈(260)을 통해 수신되는 제1 단일광자검출신호는 상관값 측정기(270)로 전달된다.The first single photon detector 140 may count the number of input idler photons I and output a first single photon detection signal. The first single photon detection signal has randomly generated time information of the entangled light source. The first single photon detection signal is an electrical signal and may be a Transistor Transistor Logic (TTL) signal. The first single photon detection signal may be transmitted to the second communication module 260 of the receiver 200 through the first communication module 150 through an Internet line (LAN, Wifi, etc.) or wireless laser communication. The first single photon detection signal received through the second communication module 260 is transferred to the correlation value measurer 270 .

제2 빔확대기(210)는 송신부(100)로부터 시그널 광자(S)가 자유공간(Free-Space)을 지나 입사되는 빔을 수신하고 수신된 빔의 직경을 줄일 수 있다. 송신부(100)와 수신부(200)는 자유공간 광학링크(Free-Space Optical Link)로 연결되어 있다.The second beam expander 210 may receive a beam in which signal photons S are incident from the transmitter 100 passing through a free space and reduce a diameter of the received beam. The transmitter 100 and the receiver 200 are connected through a free-space optical link.

제1 고속조정 거울(220)은 시그널 광자(S)가 자유공간을 지나 입사되는 빔을 반사하고, 제2 고속조정 거울(230)은 제1 고속조정 거울(220)에 반사된 빔을 반사하여 제2 시준기(240)에 입사시킨다. 즉, 수신된 빔은 제1 고속조정 거울(220)에 반사된 후 제2 고속조정 거울(230)에 반사되어 제2 시준기(240)에 입사되며, 제2 시준기(240)는 수신된 빔(시그널 광자(S))을 포집하여 광섬유(245)에 입사시킬 수 있다. 제2 시준기(240)에 포집된 빔은 광섬유(245)를 통해 제2 단일광자검출기(250)로 보낼 수 있다. 광섬유(245)는 커넥터(241)에 의해 제2 시준기(240)에 연결될 수 있다. 광섬유(245)는 단일모드 광섬유일 수 있다.The first high-speed adjustment mirror 220 reflects the beam incident on the signal photon S passing through free space, and the second high-speed adjustment mirror 230 reflects the beam reflected by the first high-speed adjustment mirror 220. Incident to the second collimator 240. That is, the received beam is reflected by the first high-speed adjustment mirror 220 and then reflected by the second high-speed adjustment mirror 230 and is incident on the second collimator 240, and the second collimator 240 is the received beam ( Signal photons (S) may be collected and incident on the optical fiber 245 . The beam collected by the second collimator 240 may be sent to the second single photon detector 250 through the optical fiber 245 . The optical fiber 245 may be connected to the second collimator 240 by a connector 241 . Optical fiber 245 may be a single mode optical fiber.

제2 단일광자검출기(250)는 입력되는 시그널 광자(S)의 수를 세어서 제2 단일광자검출신호를 출력할 수 있다. 제2 단일광자검출신호는 얽힘광원의 랜덤하게 생성된 시간정보를 가지고 있다. 제2 단일광자검출신호는 전기적 신호로써 TTL 신호일 수 있다. 제2 단일광자검출기(250)는 제2 단일광자검출신호를 상관값 측정기(270)로 전달한다. The second single photon detector 250 may output a second single photon detection signal by counting the number of input signal photons S. The second single photon detection signal has randomly generated time information of the entangled light source. The second single photon detection signal is an electrical signal and may be a TTL signal. The second single photon detector 250 transfers the second single photon detection signal to the correlation value measurer 270 .

상관값 측정기(270)는 제2 통신모듈(260)을 통해 입력되는 제1 단일광자검출신호와 제2 단일광자검출기(250)로부터 입력되는 제2 단일광자검출신호의 상관관계 분석(coincident measurement)을 수행하여 시간상관관계 히스토그램 상에서 상관값(correlation count)을 측정할 수 있다. 측정되는 상관값이 높을수록 광섬유(245)에 대한 커플링 효율이 높은 것을 의미한다.The correlation measurer 270 analyzes the correlation between the first single photon detection signal input through the second communication module 260 and the second single photon detection signal input from the second single photon detector 250 (coincident measurement) It is possible to measure a correlation count on the time correlation histogram by performing. The higher the measured correlation value, the higher the coupling efficiency of the optical fiber 245 is.

송신부(100)로부터 수신부(200)로 빔이 이동할 때 장거리 자유공간을 지나게 된다. 대기 상태 및 송신부(100)와 수신부(200)의 위치 변화에 의해 시간에 따라 천천히 레이저 방향이 틀어질 수 있다. 이로 인하여 광섬유(245)에 대한 커플링 효율의 평균값이 낮아지게 되고, 정렬 알고리즘을 사용하지 않을 경우 상황에 따라 커플링 효율이 0이 될 수도 있다. 또한, 대기의 빠른 유동으로 수백 Hz 수준의 속도로 빔의 위치가 매우 작은 범위에서 흔들리게 되는데, 이로 인해 단시간 동안 평균 커플링 효율은 유지되더라도, 수백 Hz의 속도로 커플링 효율의 크기가 빠르게 변화할 수 있다.When a beam moves from the transmitter 100 to the receiver 200, it passes through a long-distance free space. A laser direction may be slowly changed over time due to a standby state and a change in positions of the transmitter 100 and the receiver 200 . As a result, the average value of the coupling efficiency for the optical fiber 245 is lowered, and the coupling efficiency may be zero depending on circumstances when the alignment algorithm is not used. In addition, the fast flow of the atmosphere causes the position of the beam to fluctuate in a very small range at a rate of hundreds of Hz, and even though the average coupling efficiency is maintained for a short time, the size of the coupling efficiency changes rapidly at a rate of several hundred Hz. can do.

이러한 커플링 효율의 변화에 대응하여 상관값 측정기(270)는 커플링 효율을 일정 수준 이상 또는 최대로 유지시킬 수 있는 정렬 알고리즘을 수행할 수 있다. 즉, 상관값 측정기(270)는 측정되는 상관값을 분석하여 상관값이 최대가 되도록 또는 커플링 효율이 최대가 되도록 제1 고속조정 거울(220) 및 제2 고속조정 거울(230)의 각도를 조정하는 광섬유 자동 커플링 방법을 수행할 수 있다. Corresponding to this change in coupling efficiency, the correlation value measurer 270 may perform an alignment algorithm capable of maintaining the coupling efficiency above a certain level or at a maximum level. That is, the correlation value measurer 270 analyzes the measured correlation value and adjusts the angles of the first high-speed adjustment mirror 220 and the second high-speed adjustment mirror 230 so that the correlation value is maximized or the coupling efficiency is maximized. The optical fiber auto-coupling method for adjusting can be performed.

상관값 측정기(270)는 측정되는 상관값이 최대가 되도록 제1 고속조정 거울(220) 및 제2 고속조정 거울(230)의 각도를 조정할 수 있다. 더욱 상세하게, 제1 고속조정 거울(220)과 제2 고속조정 거울(230)의 수평 각도 성분

Figure 112022089955510-pat00021
,
Figure 112022089955510-pat00022
과 수직 각도 성분
Figure 112022089955510-pat00023
,
Figure 112022089955510-pat00024
을 조정할 수 있다. 제1 고속조정 거울(220)과 제2 고속조정 거울(230)의 각도 조정에 따라 제2 시준기(240)에 입사되는 빔의 경로, 수평 각도 성분
Figure 112022089955510-pat00025
과 수직 각도 성분
Figure 112022089955510-pat00026
이 조정될 수 있다. 광섬유(245)에 대한 커플링 효율은 제2 시준기(240)에 입력되는 빔의 크기에 대한 광섬유(245)에 입사되는 빔의 크기의 비율을 의미하며, 커플링 효율
Figure 112022089955510-pat00027
은 수학식 1과 같이 산출될 수 있다.The correlation value measurer 270 may adjust the angles of the first high-speed adjustment mirror 220 and the second high-speed adjustment mirror 230 so that the measured correlation value is maximized. More specifically, the horizontal angle components of the first high-speed adjustment mirror 220 and the second high-speed adjustment mirror 230
Figure 112022089955510-pat00021
,
Figure 112022089955510-pat00022
and perpendicular angle components
Figure 112022089955510-pat00023
,
Figure 112022089955510-pat00024
can be adjusted. The path of the beam incident to the second collimator 240 according to the angle adjustment of the first high-speed mirror 220 and the second high-speed mirror 230, the horizontal angle component
Figure 112022089955510-pat00025
and perpendicular angle components
Figure 112022089955510-pat00026
this can be adjusted. The coupling efficiency of the optical fiber 245 means the ratio of the size of the beam incident on the optical fiber 245 to the size of the beam input to the second collimator 240, and the coupling efficiency
Figure 112022089955510-pat00027
can be calculated as in Equation 1.

Figure 112022089955510-pat00028
Figure 112022089955510-pat00028

여기서,

Figure 112022089955510-pat00029
,
Figure 112022089955510-pat00030
,
Figure 112022089955510-pat00031
이고,
Figure 112022089955510-pat00032
,
Figure 112022089955510-pat00033
이다. 그리고
Figure 112022089955510-pat00034
은 유효 모드 필드 반경(effective mode-field radius)으로
Figure 112022089955510-pat00035
로 나타내고,
Figure 112022089955510-pat00036
는 모드 필드 반경(mode-field radius)을 나타내고,
Figure 112022089955510-pat00037
는 빔의 허리 반경(waist radius)을 나타낸다.
Figure 112022089955510-pat00038
는 입사되는 빔(시그널 광자(S))의 파장,
Figure 112022089955510-pat00039
은 제1 고속조정 거울(220)과 제2 고속조정 거울(230) 사이에서 빔의 진행 거리,
Figure 112022089955510-pat00040
는 제2 고속조정 거울(230)과 제2 시준기(240)의 초점 렌즈(242) 사이에서 빔의 진행 거리,
Figure 112022089955510-pat00041
는 초점 렌즈(242)의 초점 거리이다. here,
Figure 112022089955510-pat00029
,
Figure 112022089955510-pat00030
,
Figure 112022089955510-pat00031
ego,
Figure 112022089955510-pat00032
,
Figure 112022089955510-pat00033
am. and
Figure 112022089955510-pat00034
is the effective mode-field radius
Figure 112022089955510-pat00035
represented by,
Figure 112022089955510-pat00036
represents the mode-field radius,
Figure 112022089955510-pat00037
represents the waist radius of the beam.
Figure 112022089955510-pat00038
is the wavelength of the incident beam (signal photon S),
Figure 112022089955510-pat00039
is the travel distance of the beam between the first high-speed adjustment mirror 220 and the second high-speed adjustment mirror 230,
Figure 112022089955510-pat00040
Is the travel distance of the beam between the second high-speed adjustment mirror 230 and the focus lens 242 of the second collimator 240,
Figure 112022089955510-pat00041
is the focal length of the focus lens 242.

상관값 측정기(270)는 수학식 1을 이용하여 커플링 효율을 계산할 수 있으며, 커플링 효율이 최대가 되도록 제1 고속조정 거울(220)과 제2 고속조정 거울(230)의 각도를 실시간으로 조정할 수 있다. The correlation value measurer 270 may calculate the coupling efficiency using Equation 1, and adjust the angles of the first high-speed adjustment mirror 220 and the second high-speed adjustment mirror 230 in real time so that the coupling efficiency is maximized. can be adjusted

실시예에 따라, 커플링 효율이 최대가 되도록 제1 고속조정 거울(220)과 제2 고속조정 거울(230)의 각도를 실시간으로 조정하는 제어부가 별도로 마련될 수 있다. 이러한 제어부는 상관값 측정기(270)로부터 측정된 상관값을 수신하고 이를 기반으로 제1 고속조정 거울(220)과 제2 고속조정 거울(230)의 각도를 실시간으로 조정할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 상관값 측정기(270)가 이러한 제어부의 기능을 포함하는 것으로 예를 들어 설명한다. Depending on the embodiment, a controller for adjusting the angles of the first high-speed adjustment mirror 220 and the second high-speed adjustment mirror 230 in real time to maximize coupling efficiency may be provided separately. The control unit may receive the correlation value measured by the correlation value measurer 270 and adjust the angles of the first high-speed adjustment mirror 220 and the second high-speed adjustment mirror 230 based on the received correlation value in real time. In an embodiment of the present invention, the correlation value measurer 270 will be described as including such a control unit function as an example.

이하, 도 3 내지 6을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 고속조정 거울을 이용한 광섬유 자동 커플링 방법에 대하여 설명한다. Hereinafter, an optical fiber automatic coupling method using a high-speed adjustment mirror according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 6.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 고속조정 거울을 이용한 광섬유 자동 커플링 방법을 나타내는 흐름도이다. 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 고속조정 거울의 각도에 대한 커플링 효율을 나타내는 그래프이다. 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 탐색 과정에서 상관값을 측정한 결과를 나타내는 그래프이다. 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 위치 탐색 과정에서 가우시안 필터를 이용하여 측정된 상관값에서 노이즈를 제거한 결과를 나타내는 그래프이다.Figure 3 is a flow chart showing an optical fiber automatic coupling method using a high-speed adjustment mirror according to an embodiment of the present invention. 4 is a graph showing coupling efficiency versus angle of two high-speed adjustment mirrors according to an embodiment of the present invention. 5 is a graph showing a result of measuring a correlation value in a location search process according to an embodiment of the present invention. 6 is a graph showing a result of removing noise from a correlation value measured using a Gaussian filter in a location search process according to an embodiment of the present invention.

도 3 내지 6을 참조하면, 상관값 측정기(270)는 제1 고속조정 거울(220)과 제2 고속조정 거울(230) 중 어느 하나를 랜덤하게 움직여서 상관값이 측정되는 무작위 지점을 찾는 무작위 탐색(Random Search)을 수행할 수 있다(S100). 이하, 무작위 탐색과 후술하는 각도 탐색에서 제1 고속조정 거울(220)을 움직이는 것을 예로 들어 설명하지만, 무작위 탐색과 후술하는 각도 탐색에서 제1 고속조정 거울(220) 대신에 제2 고속조정 거울(230)을 움직이더라도 상관없다. 도 4에 예시한 바와 같이, 상관값 측정기(270)는 제1 고속조정 거울(220)의 수평 각도 성분

Figure 112022089955510-pat00042
을 랜덤하게 조정하여 상관값이 측정되는 무작위 지점을 찾을 수 있다. 3 to 6, the correlation value measurer 270 randomly moves either of the first high-speed adjustment mirror 220 and the second high-speed adjustment mirror 230 to search for a random point where the correlation value is measured. (Random Search) may be performed (S100). Hereinafter, moving the first high-speed adjustment mirror 220 in a random search and an angle search described later will be described as an example, but in a random search and an angle search described later, a second high-speed adjustment mirror ( 230) does not matter. As illustrated in FIG. 4, the correlation value measurer 270 is a horizontal angular component of the first high-speed adjustment mirror 220.
Figure 112022089955510-pat00042
Randomly adjusting can find a random point where the correlation value is measured.

상관값 측정기(270)는 무작위 탐색에서 상관값이 하한보다 크게 측정되는 무작위 지점이 탐색되면 각도 탐색(Angle Search)을 시작한다(S200). 각도 탐색은 무작위 탐색에서 움직인 동일한 제1 고속조정 거울(220)을 움직여서 입사되는 빔이 광섬유(245)에 정렬되는 정확한 각도는 찾는 과정이다. 다시 말해, 각도 탐색은 하나의 고속조정 거울을 수평 방향 및 수직 방향으로 움직여서 가장 커플링 효율이 큰 지점을 빔이 최적화된 각도로 입사할 수 있는 최적 지점으로 선택하는 알고리즘이다. 각도 탐색 과정은 후술하는 S210 단계 내지 S250 단계와 같이 수행될 수 있다.The correlation value measurer 270 starts an angle search when a random point where the correlation value is measured to be greater than the lower limit is searched for in the random search (S200). The angle search is a process of finding an accurate angle at which an incident beam is aligned with the optical fiber 245 by moving the same first high-speed adjustment mirror 220 moved in the random search. In other words, the angle search is an algorithm that selects a point with the highest coupling efficiency as an optimal point where a beam can be incident at an optimized angle by moving one high-speed adjustment mirror in horizontal and vertical directions. The angle search process may be performed as in steps S210 to S250 to be described later.

상관값 측정기(270)는 설정 범위 이내에서 수평 방향으로 제1 고속조정 거울(220)을 움직이면서 각도 탐색을 수행할 수 있다(S210). 이때, 제1 고속조정 거울(220)을 움직이는 설정 범위는 각도 탐색에서 상관값이 하한보다 크게 측정된 무작위 지점과 이에 인접한 무작위 지점 사이의 범위일 수 있다. The correlation value measurer 270 may perform angle search while moving the first high-speed adjustment mirror 220 in a horizontal direction within a set range (S210). In this case, the setting range of moving the first high-speed adjustment mirror 220 may be a range between a random point where a correlation value is measured to be greater than the lower limit in the angle search and a random point adjacent thereto.

상관값 측정기(270)는 설정 범위 내에서 제1 고속조정 거울(220)의 수평 각도 성분

Figure 112022089955510-pat00043
을 미세하게 조정하면서 상관값을 측정할 수 있다(S220). 상관값이 측정되는 각도 탐색 경로(Angle Search Path)는 설정 범위 내에서 수평 방향이 된다. 이때, 제2 고속조정 거울(230)은 움직이지 않고 일정한 각도를 유지한 상태이며, 제2 고속조정 거울(230)의 수평 각도 성분
Figure 112022089955510-pat00044
는 일정하게 유지된다.The correlation value measurer 270 is a horizontal angular component of the first high-speed adjustment mirror 220 within a set range.
Figure 112022089955510-pat00043
It is possible to measure the correlation value while finely adjusting (S220). An angle search path on which a correlation value is measured becomes a horizontal direction within a set range. At this time, the second high-speed adjustment mirror 230 does not move and maintains a constant angle, and the horizontal angle component of the second high-speed adjustment mirror 230
Figure 112022089955510-pat00044
is kept constant.

상관값 측정기(270)는 각도 탐색 경로를 따라 상관값을 측정하면서 측정된 상관값이 이전의 최댓값보다 작고 하한보다 큰지 확인한다(S230). 즉, 상관값 측정기(270)는 각도 탐색 경로에서 상관값이 최대로 측정되는 위치를 찾는다. The correlation value measurer 270 checks whether the measured correlation value is less than the previous maximum value and greater than the lower limit while measuring the correlation value along the angular search path (S230). That is, the correlation value measurer 270 finds a position at which the maximum correlation value is measured in the angular search path.

상관값 측정기(270)는 상관값의 최댓값이 측정된 위치를 최적 지점으로 설정할 수 있다(S240). 즉, 상관값 측정기(270)는 언덕 오르기(Hill-Climbing) 알고리즘을 이용하여 상관값의 최댓값이 측정되는 위치를 찾을 수 있다. The correlation value measurer 270 may set the position where the maximum value of the correlation value is measured as an optimal point (S240). That is, the correlation value measurer 270 may find a location where the maximum value of the correlation value is measured using a hill-climbing algorithm.

상관값 측정기(270)는 S210 단계 내지 S240 단계와 동일한 방식으로 수직 방향으로 제1 고속조정 거울(220)을 움직이면서 각도 탐색을 수행할 수 있다(S250). 상관값 측정기(270)는 언덕 오르기 알고리즘을 이용하여 상관값의 최댓값이 측정된 위치를 찾아 최적 지점으로 설정할 수 있다.The correlation value measurer 270 may perform angle search while moving the first high-speed adjustment mirror 220 in the vertical direction in the same manner as steps S210 to S240 (S250). The correlation value measurer 270 may find a location where the maximum value of the correlation value is measured using a hill climbing algorithm and set it as an optimal point.

상관값 측정기(270)는 각도 탐색이 완료되면 위치 탐색(Position Search)을 시작한다(S300). 위치 탐색은 제1 고속조정 거울(220)과 제2 고속조정 거울(230)을 동일한 각도로 움직일 경우 광섬유(245)에 입사되는 빔의 각도는 변하지 않은 상태로 광섬유(245)에 입사되는 위치만이 변화되는 원리를 이용하여 제1 고속조정 거울(220)과 제2 고속조정 거울(230)의 각도를 x축(수평 방향)과 y축(수직 방향) 상의 격자점으로 설정한 후 모든 격자점의 상관값을 측정하여 최대 상관값이 측정된 지점을 찾는 알고리즘이다. 위치 탐색 과정은 후술하는 S310 단계 내지 S340 단계와 같이 수행될 수 있다. When the angle search is completed, the correlation value measurer 270 starts a position search (S300). In the position search, when the first high-speed adjustment mirror 220 and the second high-speed adjustment mirror 230 are moved at the same angle, only the position of the beam incident on the optical fiber 245 remains unchanged. After setting the angles of the first high-speed adjustment mirror 220 and the second high-speed adjustment mirror 230 to the lattice points on the x-axis (horizontal direction) and y-axis (vertical direction) using this changing principle, all lattice points It is an algorithm that measures the correlation value of and finds the point where the maximum correlation value is measured. The location search process may be performed as in steps S310 to S340 to be described later.

상관값 측정기(270)는 2개의 고속조정 거울(220, 230)을 동일한 각도로 움직여서 광섬유(245)에 입사되는 빔 위치의 격자점을 설정할 수 있다(S310). 즉, 상관값 측정기(270)는 제1 고속조정 거울(220)의 수평 각도 성분

Figure 112022089955510-pat00045
과 제2 고속조정 거울(230)의 수평 각도 성분
Figure 112022089955510-pat00046
을 동일하게 조정하고, 제1 고속조정 거울(220)의 수직 각도 성분
Figure 112022089955510-pat00047
과 제2 고속조정 거울(230)의 수직 각도 성분
Figure 112022089955510-pat00048
을 동일하게 조정하여 광섬유(245)에 입사되는 빔의 위치를 조정할 수 있으며, 광섬유(245)에 입사되는 빔의 위치를 수평 각도 성분의 오프셋(Horizontal angular offset)과 수직 각도 성분의 오프셋(Vertical angular offset)의 격자점(도 5 및 6 참조)으로 설정할 수 있다. 일 예로, 도 4에 예시한 바와 같이 위치 탐색 과정에서 제1 고속조정 거울(220)의 수평 각도 성분
Figure 112022089955510-pat00049
과 제2 고속조정 거울(230)의 수평 각도 성분
Figure 112022089955510-pat00050
의 차이는 일정하게 유지되는 위치 탐색 경로(Position Search Path)를 따라 상관값이 측정될 수 있다.The correlation value measurer 270 may move the two high-speed adjustment mirrors 220 and 230 at the same angle to set the grid point of the position of the beam incident on the optical fiber 245 (S310). That is, the correlation value measurer 270 is a horizontal angular component of the first high-speed adjustment mirror 220
Figure 112022089955510-pat00045
and the horizontal angular component of the second high-speed adjustment mirror 230
Figure 112022089955510-pat00046
Equally adjusted, and the vertical angle component of the first high-speed adjustment mirror 220
Figure 112022089955510-pat00047
and the vertical angular component of the second high-speed adjustment mirror 230
Figure 112022089955510-pat00048
It is possible to adjust the position of the beam incident on the optical fiber 245 by adjusting the same, and the position of the beam incident on the optical fiber 245 is divided into a horizontal angular offset and a vertical angular offset (vertical angular offset). offset) of the lattice point (see FIGS. 5 and 6). For example, as illustrated in FIG. 4 , the horizontal angular component of the first high-speed adjustment mirror 220 in the position search process
Figure 112022089955510-pat00049
and the horizontal angular component of the second high-speed adjustment mirror 230
Figure 112022089955510-pat00050
A correlation value may be measured along a position search path where the difference in is kept constant.

상관값 측정기(270)는 2개의 고속조정 거울(220, 230)을 동일한 각도로 움직이면서 설정된 모든 격자점에서 상관값을 측정할 수 있다(S320). 도 5에 예시한 바와 같이 제1 고속조정 거울(220)과 제2 고속조정 거울(230)을 수평 방향으로 움직인 수평 각도 성분 오프셋(x축)과 제1 고속조정 거울(220)과 제2 고속조정 거울(230)을 수직 방향으로 움직인 수직 각도 오프셋(y축)의 격자점에서 상관값이 측정될 수 있다.The correlation value measurer 270 may measure correlation values at all set lattice points while moving the two high-speed adjustment mirrors 220 and 230 at the same angle (S320). As illustrated in FIG. 5, the horizontal angular component offset (x-axis) obtained by moving the first high-speed adjustment mirror 220 and the second high-speed adjustment mirror 230 in the horizontal direction and the first high-speed adjustment mirror 220 and the second A correlation value may be measured at a lattice point of a vertical angular offset (y-axis) moving the high-speed mirror 230 in the vertical direction.

상관값 측정기(270)는 가우시안 필터(Gaussian filter)를 이용하여 격자점의 상관값에서 노이즈를 제거할 수 있다(S330). 도 6에 예시한 바와 같이 가우시안 필터를 이용하여 격자점의 상관값에서 노이즈를 제거하면 상관값이 최대인 지점(검정색 점 표시)의 위치가 변화될 수 있다.The correlation value measurer 270 may remove noise from the correlation value of the lattice points using a Gaussian filter (S330). As illustrated in FIG. 6 , when noise is removed from the correlation values of lattice points using a Gaussian filter, the position of the point (black dot mark) having the maximum correlation value may be changed.

상관값 측정기(270)는 가우시안 필터를 이용하여 노이즈를 제거한 후 최대 상관값이 측정된 지점을 찾고, 최대 상관값이 측정되 위치로 제1 고속조정 거울(220)과 제2 고속조정 거울(230)을 조정할 수 있다(S340). 즉, 상관값 측정기(270)는 최대 상관값이 측정된 위치에 해당하는 수평 각도 오프셋과 수직 각도 오프셋만큼 제1 고속조정 거울(220)과 제2 고속조정 거울(230)의 수평 각도 성분

Figure 112022089955510-pat00051
,
Figure 112022089955510-pat00052
과 수직 각도 성분
Figure 112022089955510-pat00053
,
Figure 112022089955510-pat00054
을 조정할 수 있다. 상관값 측정기(270)는 언덕 오르기 알고리즘을 이용하여 최대 상관값이 측정된 위치를 찾을 수 있다. 이에 따라, 광섬유(245)로 입사되는 빔은 최대의 커플링 효율로 입사될 수 있다. The correlation value measurer 270 removes noise using a Gaussian filter, finds a point where the maximum correlation value is measured, and places the first high-speed adjustment mirror 220 and the second high-speed adjustment mirror 230 at the position where the maximum correlation value is measured. ) can be adjusted (S340). That is, the correlation value measurer 270 calculates the horizontal angle components of the first high-speed adjustment mirror 220 and the second high-speed adjustment mirror 230 by the horizontal angle offset and the vertical angle offset corresponding to the position where the maximum correlation value is measured.
Figure 112022089955510-pat00051
,
Figure 112022089955510-pat00052
and perpendicular angle components
Figure 112022089955510-pat00053
,
Figure 112022089955510-pat00054
can be adjusted. The correlation value measurer 270 may find a location where the maximum correlation value is measured using a hill climbing algorithm. Accordingly, a beam incident to the optical fiber 245 may be incident with maximum coupling efficiency.

이하, 도 7을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 송수신 광학계(10)의 광섬유 자동 커플링 성능을 확인하기 위한 실험의 결과에 대하여 설명한다.Hereinafter, with reference to FIG. 7, the result of an experiment for confirming the optical fiber auto-coupling performance of the transmission/reception optical system 10 according to an embodiment of the present invention will be described.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 송수신 광학계의 광섬유 자동 커플링 성능을 확인하기 위한 실험의 결과를 나타내는 그래프이다.7 is a graph showing the results of an experiment for confirming the automatic coupling performance of optical fibers of a transmission/reception optical system according to an embodiment of the present invention.

도 7을 참조하면, 송신부(100)와 수신부(200)는 실내에서 60m 서로 떨어져 있도록 설치하고, 양자 광원(110)은 2차 비선형 계수를 가지는 비선형 결정을 이용한 자발 매개 하향 변환으로 얽힘 광자쌍을 생성하도록 한다.Referring to FIG. 7, the transmitter 100 and the receiver 200 are installed 60 m away from each other indoors, and the quantum light source 110 converts entangled photon pairs by spontaneous mediation down-conversion using a nonlinear crystal having a second order nonlinear coefficient. to create

무작위 탐색을 시작으로 특정 상관값(Coincidence Count) 이상의 수치가 측정되면 각도 탐색을 시작이 시작되고, 각도 탐색을 통해 제1 고속조정 거울(220)에 대한 수평 각도 성분

Figure 112022089955510-pat00055
과 수직 각도 성분
Figure 112022089955510-pat00056
을 조정하여 상관값 스캔이 이루어진다. 그리고 위치 탐색을 통해 광섬유(245)에 입사되는 빔의 각도를 유지한 상태로 지정된 격자점에서 상관값 스캔이 이루어질 수 있다. 상관값 스캔의 결과는 도 5와 같이 생성될 수 있으며, 가우시안 필터를 통해 도 6과 같이 노이즈가 제거되고 최대 상관값이 측정된 위치가 결정되어 제1 고속조정 거울(220)과 제2 고속조정 거울(230)이 조정된다. Starting with the random search, when a value equal to or higher than a certain correlation value (Coincidence Count) is measured, the angle search starts, and the horizontal angle component for the first high-speed adjustment mirror 220 is started through the angle search.
Figure 112022089955510-pat00055
and perpendicular angle components
Figure 112022089955510-pat00056
A correlation value scan is performed by adjusting . In addition, a correlation value scan may be performed at a designated lattice point while maintaining an angle of a beam incident on the optical fiber 245 through position search. The result of the correlation value scan may be generated as shown in FIG. 5, noise is removed as shown in FIG. 6 through a Gaussian filter, and the position where the maximum correlation value is measured is determined to determine the first high-speed adjustment mirror 220 and the second high-speed adjustment Mirror 230 is adjusted.

위쪽 그래프는 태양광과 같은 외부 노이즈가 양자 광원(110)의 5배 수준인 경우를 실험한 결과이고, 아래쪽 그래프는 외부 노이즈가 양자 광원(110)의 95배 수준인 경우를 실험한 결과이다. 외부 노이즈가 양자 광원(110)의 95배 수준인 경우에도 평균 상관값이 나타난다는 것을 확인할 수 있다. 즉, 수신부(200)의 광섬유 자동 커플링 효과가 우수함을 확인할 수 있다. The upper graph shows the result of an experiment when the level of external noise such as sunlight is 5 times that of the quantum light source 110, and the lower graph shows the result of an experiment when the level of external noise is 95 times that of the quantum light source 110. It can be seen that the average correlation value appears even when the external noise is 95 times higher than that of the quantum light source 110 . That is, it can be confirmed that the optical fiber automatic coupling effect of the receiver 200 is excellent.

이하, 도 8 및 9를 참조하여 일반적인 레이저 광원을 포함한 송수신 광학계에서 광섬유 자동 커플링을 실험한 결과에 대하여 설명한다.Hereinafter, with reference to FIGS. 8 and 9 , the result of an experiment of automatic coupling of optical fibers in a transmission/reception optical system including a general laser light source will be described.

도 8은 본 발명의 다른 실시예에 따른 송수신 광학계를 나타내는 블록도이다. 도 9는 도 8의 송수신 광학계의 광섬유 자동 커플링 성능을 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.8 is a block diagram showing a transmission/reception optical system according to another embodiment of the present invention. FIG. 9 is a graph showing the result of testing the optical fiber automatic coupling performance of the transmission/reception optical system of FIG. 8 .

도 8 및 9를 참조하면, 일반 레이저 기반의 송수신 광학계(20)는 레이저 광원(310) 및 제1 빔확대기(320)를 포함하는 송신부(300), 그리고 제2 빔확대기(410), 제1 고속조정 거울(420), 제2 고속조정 거울(430), 시준기(440) 및 전력 측정기(450)를 포함하는 수신부(400)를 포함할 수 있다. Referring to FIGS. 8 and 9, the general laser-based transmission/reception optical system 20 includes a transmitter 300 including a laser light source 310 and a first beam expander 320, a second beam expander 410, and a first It may include a receiver 400 including a high-speed adjustment mirror 420, a second high-speed adjustment mirror 430, a collimator 440 and a power meter 450.

레이저 광원(310)에서 방출된 레이저 빔은 제1 빔확대기(320)를 통해 수신부(400)로 보내지고, 수신부(400)는 제2 빔확대기(410)를 통해 레이저 빔을 수신할 수 있다. 제2 빔확대기(410)를 통해 수신된 레이저 빔은 제1 고속조정 거울(420)에 반사된 후 제2 고속조정 거울(430)에 반사되어 시준기(440)에 입사되며, 시준기(440)는 수신된 레이저 빔을 포집하여 광섬유(445)를 통해 전력 측정기(450)로 보낼 수 있다. The laser beam emitted from the laser light source 310 may be sent to the receiver 400 through the first beam expander 320, and the receiver 400 may receive the laser beam through the second beam expander 410. The laser beam received through the second beam expander 410 is reflected by the first high-speed adjustment mirror 420 and then reflected by the second high-speed adjustment mirror 430 and is incident on the collimator 440, and the collimator 440 The received laser beam may be collected and sent to the power meter 450 through the optical fiber 445 .

전력 측정기(450)(도 1 내지 7에서 상술한 상관값 측정기(270)에 대응될 수 있음)는 광섬유(445)를 통해 수신되는 레이저 빔의 전력값을 측정하고, 전력값(도 1 내지 7에서 상술한 상관값에 대응될 수 있음)을 기반으로 도 1 내지 7에서 상술한 광섬유 자동 커플링 방법(무작위 탐색, 각도 탐색 및 위치 탐색)을 수행하여 제1 고속조정 거울(420) 및 제2 고속조정 거울(430)의 각도를 조정할 수 있다. 즉, 전력 측정기(450)는 측정되는 전력값이 최대가 되도록 또는 광섬유(445)에 대한 커플링 효율이 최대가 되도록 제1 고속조정 거울(420) 및 제2 고속조정 거울(430)의 각도를 조정할 수 있다. The power measurer 450 (which may correspond to the correlation value measurer 270 described above in FIGS. 1 to 7) measures the power value of the laser beam received through the optical fiber 445, and measures the power value (see FIGS. 1 to 7). may correspond to the correlation value described above in) based on the optical fiber automatic coupling method (random search, angle search, and position search) described above in FIGS. The angle of the high-speed adjustment mirror 430 may be adjusted. That is, the power meter 450 adjusts the angles of the first high-speed adjustment mirror 420 and the second high-speed adjustment mirror 430 so that the measured power value is maximized or the coupling efficiency with respect to the optical fiber 445 is maximized. can be adjusted

광섬유 자동 커플링 방법을 수행한 경우 도 9에 예시한 바와 같이 대략 57% 정도의 커플링 효율(Coupling efficiency)을 얻을 수 있다. 대기외란에 의해 레이저 빔이 큰 폭으로 흔들리는 상황에서도 높은 수준의 커플링 효율이 나타남을 확인할 수 있다. When the optical fiber auto-coupling method is performed, a coupling efficiency of about 57% can be obtained as illustrated in FIG. 9 . It can be confirmed that a high level of coupling efficiency is exhibited even in a situation where the laser beam is greatly shaken by atmospheric disturbance.

일반적인 레이저 광원(310)의 경우 얽힘광원과 달리 레이저 출력의 측정이 매우 쉬우므로 정렬 알고리즘을 통한 커플링 효율의 측정이 가능하다. 여기서, 얽힘광원과 동일한 파장을 갖는 레이저 광원(310)을 사용하였다. 이에 따라, 얽힘광원을 사용하는 경우에도 정렬 알고리즘을 통해 50% 내지 60%의 커플링 효율을 얻을 수 있을 것으로 예상된다. In the case of the general laser light source 310, unlike the entanglement light source, it is very easy to measure the laser power, so it is possible to measure the coupling efficiency through an alignment algorithm. Here, a laser light source 310 having the same wavelength as the entanglement light source was used. Accordingly, it is expected that a coupling efficiency of 50% to 60% can be obtained through an alignment algorithm even when an entangled light source is used.

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. The drawings and detailed description of the present invention referred to so far are only examples of the present invention, which are only used for the purpose of explaining the present invention, and are used to limit the scope of the present invention described in the meaning or claims. It is not. Therefore, those skilled in the art will understand that various modifications and equivalent other embodiments are possible therefrom. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the technical spirit of the appended claims.

10, 20: 송수신 광학계
100, 300: 송신부
110: 양자 광원
120, 320: 제1 빔확대기
130: 제1 시준기
135, 245, 445: 광섬유
140: 제1 단일광자검출기
150: 제1 통신모듈
200, 400: 수신부
210, 410: 제2 빔확대기
220, 420: 제1 고속조정 거울
230, 430: 제2 고속조정 거울
240: 제2 시준기
250: 제2 단일광자검출기
260: 제2 통신모듈
270: 상관값 측정기
310: 레이저 광원
440: 시준기
450: 전력 측정기10, 20: transmission and reception optical system
100, 300: transmitter
110 Quantum light source
120, 320: first beam expander
130: first collimator
135, 245, 445: optical fiber
140: first single photon detector
150: first communication module
200, 400: receiver
210, 410: second beam expander
220, 420: first high-speed adjustment mirror
230, 430: second high-speed adjustment mirror
240: second collimator
250: second single photon detector
260: second communication module
270: correlation value meter
310: laser light source
440: collimator
450: power meter

Claims (17)

자발 매개 하향 변환을 일으키는 비선형 결정을 이용하여 시그널 광자 및 아이들러 광자를 생성하는 양자 광원;
상기 아이들러 광자의 수를 세어서 제1 단일광자검출신호를 출력하는 제1 단일광자검출기;
상기 시그널 광자가 자유공간을 지나 입사되는 빔을 반사하는 제1 고속조정 거울;
상기 제1 고속조정 거울에 반사된 빔을 반사하는 제2 고속조정 거울;
상기 제2 고속조정 거울에 반사된 빔을 포집하여 광섬유에 입사시키는 시준기;
상기 광섬유를 통해 보내지는 시그널 광자의 수를 세어서 제2 단일광자검출신호를 출력하는 제2 단일광자검출기; 및
상기 제1 단일광자검출신호와 상기 제2 단일광자검출신호의 상관관계를 분석하여 상관값을 측정하고, 상기 상관값이 최대가 되도록 상기 제1 고속조정 거울 및 상기 제2 고속조정 거울의 각도를 조정하는 상관값 측정기를 포함하고,
상기 상관값 측정기는 상기 제1 고속조정 거울과 상기 제2 고속조정 거울 중 어느 하나를 랜덤하게 움직여서 상관값이 측정되는 무작위 지점을 찾는 무작위 탐색을 수행하는 송수신 광학계.a quantum light source that generates signal photons and idler photons using nonlinear crystals that cause spontaneous mediated down conversion;
a first single photon detector counting the number of idler photons and outputting a first single photon detection signal;
a first high-speed adjustment mirror for reflecting the incident beam of the signal photon passing through free space;
a second high-speed adjustment mirror for reflecting the beam reflected by the first high-speed adjustment mirror;
a collimator that collects the beam reflected by the second high-speed adjustment mirror and makes it incident to an optical fiber;
a second single photon detector counting the number of signal photons transmitted through the optical fiber and outputting a second single photon detection signal; and
A correlation value is measured by analyzing the correlation between the first single photon detection signal and the second single photon detection signal, and the angles of the first high-speed adjustment mirror and the second high-speed adjustment mirror are adjusted so that the correlation value is maximized. Including a correlation value meter that adjusts,
Wherein the correlation value measurer performs a random search to find a random point where a correlation value is measured by randomly moving one of the first high-speed adjustment mirror and the second high-speed adjustment mirror. 제1 항에 있어서,
상기 상관값 측정기는 상기 광섬유에 대한 커플링 효율이 최대가 되도록 상기 제1 고속조정 거울 및 상기 제2 고속조정 거울의 각도를 조정하고,
상기 커플링 효율은 수학식
Figure 112022089955510-pat00057
에 의해 산출되고,
Figure 112022089955510-pat00058
,
Figure 112022089955510-pat00059
,
Figure 112022089955510-pat00060
이고,
Figure 112022089955510-pat00061
,
Figure 112022089955510-pat00062
이고,
Figure 112022089955510-pat00063
은 유효 모드 필드 반경으로
Figure 112022089955510-pat00064
이고,
Figure 112022089955510-pat00065
는 모드 필드 반경이고,
Figure 112022089955510-pat00066
는 입사되는 빔의 허리 반경이고,
Figure 112022089955510-pat00067
는 입사되는 빔의 파장이고,
Figure 112022089955510-pat00068
은 상기 제1 고속조정 거울과 상기 제2 고속조정 거울 사이에서 빔의 진행 거리,
Figure 112022089955510-pat00069
는 상기 제2 고속조정 거울과 상기 시준기의 초점 렌즈 사이에서 빔의 진행 거리,
Figure 112022089955510-pat00070
는 상기 초점 렌즈의 초점 거리,
Figure 112022089955510-pat00071
은 상기 제1 고속조정 거울의 수평 각도 성분,
Figure 112022089955510-pat00072
는 상기 제2 고속조정 거울의 수평 각도 성분,
Figure 112022089955510-pat00073
은 상기 제1 고속조정 거울의 수직 각도 성분,
Figure 112022089955510-pat00074
는 상기 제2 고속조정 거울의 수직 각도 성분,
Figure 112022089955510-pat00075
는 상기 시준기에 입사되는 빔의 수평 각도 성분,
Figure 112022089955510-pat00076
는 상기 시준기에 입사되는 빔의 수직 각도 성분인 송수신 광학계.According to claim 1,
The correlation value measuring unit adjusts the angles of the first high-speed adjustment mirror and the second high-speed adjustment mirror so that the coupling efficiency for the optical fiber is maximized,
The coupling efficiency is expressed by the equation
Figure 112022089955510-pat00057
is calculated by
Figure 112022089955510-pat00058
,
Figure 112022089955510-pat00059
,
Figure 112022089955510-pat00060
ego,
Figure 112022089955510-pat00061
,
Figure 112022089955510-pat00062
ego,
Figure 112022089955510-pat00063
is the effective mode field radius
Figure 112022089955510-pat00064
ego,
Figure 112022089955510-pat00065
is the mode field radius,
Figure 112022089955510-pat00066
is the waist radius of the incident beam,
Figure 112022089955510-pat00067
is the wavelength of the incident beam,
Figure 112022089955510-pat00068
is the traveling distance of the beam between the first high-speed adjustment mirror and the second high-speed adjustment mirror,
Figure 112022089955510-pat00069
Is the travel distance of the beam between the second high-speed adjustment mirror and the focus lens of the collimator,
Figure 112022089955510-pat00070
is the focal length of the focal lens,
Figure 112022089955510-pat00071
is the horizontal angular component of the first high-speed adjustment mirror,
Figure 112022089955510-pat00072
Is the horizontal angular component of the second high-speed adjustment mirror,
Figure 112022089955510-pat00073
is a vertical angular component of the first high-speed adjustment mirror,
Figure 112022089955510-pat00074
Is the vertical angular component of the second high-speed adjustment mirror,
Figure 112022089955510-pat00075
Is the horizontal angular component of the beam incident on the collimator,
Figure 112022089955510-pat00076
Is the vertical angular component of the beam incident on the collimator. 제1 항에 있어서,
상기 광섬유는 단일모드 광섬유인 송수신 광학계.According to claim 1,
The optical fiber is a single-mode optical fiber transmission and reception optical system. 삭제delete 제1 항에 있어서,
상기 무작위 탐색에서 상기 무작위 지점이 탐색되면, 상기 상관값 측정기는 상기 무작위 탐색에서 움직인 고속조정 거울을 움직여서 입사되는 빔이 상기 광섬유에 정렬되는 정확한 각도를 찾는 각도 탐색을 수행하는 송수신 광학계.According to claim 1,
When the random point is searched in the random search, the correlation value measurer performs an angle search to find an accurate angle at which the incident beam is aligned to the optical fiber by moving the high-speed adjustment mirror moved in the random search Transmit/receive optical system. 제5 항에 있어서,
상기 각도 탐색이 완료되면, 상기 상관값 측정기는 상기 제1 고속조정 거울과 상기 제2 고속조정 거울을 동일한 각도로 움직여 상기 광섬유에 입사되는 위치의 격자점에서 상관값을 측정하여 최대 상관값이 측정된 지점을 찾는 위치 탐색을 수행하는 송수신 광학계.According to claim 5,
When the angle search is completed, the correlation value measurer moves the first high-speed adjustment mirror and the second high-speed adjustment mirror at the same angle to measure a correlation value at a lattice point at a position incident on the optical fiber, so that the maximum correlation value is measured. Transmit/receive optical system that performs position search to find the 제6 항에 있어서,
상기 상관값 측정기는 가우시안 필터를 이용하여 상기 격자점의 상관값에서 노이즈를 제거한 후 상기 최대 상관값이 측정된 지점을 찾는 송수신 광학계.According to claim 6,
Wherein the correlation value measurer removes noise from the correlation value of the lattice point using a Gaussian filter and then finds a point where the maximum correlation value is measured. 수신되는 레이저 빔을 반사하는 제1 고속조정 거울;
상기 제1 고속조정 거울에 반사된 레이저 빔을 반사하는 제2 고속조정 거울;
상기 제2 고속조정 거울에 반사된 레이저 빔을 포집하여 광섬유에 입사시키는 시준기; 및
상기 광섬유를 통해 수신되는 레이저 빔의 전력값을 측정하고, 상기 전력값이 최대가 되도록 상기 제1 고속조정 거울 및 상기 제2 고속조정 거울의 각도를 조정하는 전력 측정기를 포함하고,
상기 전력 측정기는 상기 제1 고속조정 거울과 상기 제2 고속조정 거울 중 어느 하나를 랜덤하게 움직여서 전력값이 측정되는 무작위 지점을 찾는 무작위 탐색을 수행하는 송수신 광학계.a first high-speed adjustment mirror that reflects the received laser beam;
a second high-speed adjustment mirror for reflecting the laser beam reflected by the first high-speed adjustment mirror;
a collimator that collects the laser beam reflected by the second high-speed adjustment mirror and makes it incident to an optical fiber; and
A power meter measuring a power value of a laser beam received through the optical fiber and adjusting angles of the first high-speed adjustment mirror and the second high-speed adjustment mirror so that the power value is maximized;
The power measuring unit performs a random search to find a random point where a power value is measured by randomly moving one of the first high-speed adjusting mirror and the second high-speed adjusting mirror. 삭제delete 제8 항에 있어서,
상기 무작위 탐색에서 상기 무작위 지점이 탐색되면, 상기 전력 측정기는 상기 무작위 탐색에서 움직인 고속조정 거울을 움직여서 입사되는 빔이 상기 광섬유에 정렬되는 정확한 각도를 찾는 각도 탐색을 수행하는 송수신 광학계.According to claim 8,
When the random point is searched in the random search, the power meter performs an angle search to find an accurate angle at which the incident beam is aligned to the optical fiber by moving the high-speed adjustment mirror moved in the random search Transmit/receive optical system. 제10 항에 있어서,
상기 각도 탐색이 완료되면, 상기 전력 측정기는 상기 제1 고속조정 거울과 상기 제2 고속조정 거울을 동일한 각도로 움직여 상기 광섬유에 입사되는 위치의 격자점에서 전력값을 측정하여 최대 전력값이 측정된 지점을 찾는 위치 탐색을 수행하는 송수신 광학계.According to claim 10,
When the angle search is completed, the power meter moves the first high-speed adjustment mirror and the second high-speed adjustment mirror at the same angle to measure the power value at the grid point at the position incident on the optical fiber, and the maximum power value is measured. Transmit/receive optical system that performs position search to find a point. 제11 항에 있어서,
상기 전력 측정기는 가우시안 필터를 이용하여 상기 격자점의 전력값에서 노이즈를 제거한 후 상기 최대 전력값이 측정된 지점을 찾는 송수신 광학계.According to claim 11,
The power measuring unit removes noise from the power value of the lattice point using a Gaussian filter and then finds a point where the maximum power value is measured. 자유공간을 지나 입사되는 빔을 반사하는 제1 고속조정 거울, 상기 제1 고속조정 거울에 반사된 빔을 반사하는 제2 고속조정 거울 및 상기 제2 고속조정 거울에 반사된 빔을 포집하여 광섬유에 입사시키는 시준기를 포함하는 송수신 광학계가 광섬유 자동 커플링을 수행하는 방법에 있어서,
상기 제1 고속조정 거울과 상기 제2 고속조정 거울 중 어느 하나를 랜덤하게 움직여서 상관값이 측정되는 무작위 지점을 찾는 무작위 탐색을 수행하는 단계;
상기 무작위 탐색에서 움직인 고속조정 거울을 움직여서 입사되는 빔이 상기 광섬유에 정렬되는 정확한 각도를 찾는 각도 탐색을 수행하는 단계; 및
상기 제1 고속조정 거울과 상기 제2 고속조정 거울을 동일한 각도로 움직여 상기 광섬유에 입사되는 위치의 격자점에서 상관값을 측정하여 최대 상관값이 측정된 지점을 찾는 위치 탐색을 수행하는 단계를 포함하는 고속조정 거울을 이용한 광섬유 자동 커플링 방법.A first high-speed adjustment mirror that reflects an incident beam passing through free space, a second high-speed adjustment mirror that reflects the beam reflected by the first high-speed adjustment mirror, and a beam reflected by the second high-speed adjustment mirror are collected to form an optical fiber. In the method for performing automatic coupling of optical fibers by a transmission/reception optical system including a collimator for incident,
performing a random search to find a random point where a correlation value is measured by randomly moving one of the first and second high-speed adjustment mirrors;
performing an angle search to find an accurate angle at which an incident beam is aligned with the optical fiber by moving a high-speed adjustment mirror moved in the random search; and
Moving the first high-speed adjustment mirror and the second high-speed adjustment mirror at the same angle to measure a correlation value at a lattice point at a position incident on the optical fiber, and performing a position search to find a point where the maximum correlation value is measured. Optical fiber auto-coupling method using a high-speed steering mirror. 제13 항에 있어서,
상기 각도 탐색을 수행하는 단계는,
상기 제1 고속조정 거울의 수평 각도 성분을 조정하면서 상관값을 측정하는 단계; 및
언덕 오르기 알고리즘을 이용하여 상관값의 최댓값이 측정되는 위치를 찾는 단계를 포함하는 고속조정 거울을 이용한 광섬유 자동 커플링 방법.According to claim 13,
The step of performing the angle search,
measuring a correlation value while adjusting a horizontal angular component of the first high-speed adjustment mirror; and
An optical fiber automatic coupling method using a high-speed adjustment mirror including the step of finding a position where the maximum value of the correlation value is measured using a hill climbing algorithm. 제13 항에 있어서,
상기 위치 탐색을 수행하는 단계는,
가우시안 필터를 이용하여 상기 격자점의 상관값에서 노이즈를 제거한 후 상기 최대 상관값이 측정된 지점을 찾는 단계; 및
상기 최대 상관값이 측정된 위치로 상기 제1 고속조정 거울 및 상기 제2 고속조정 거울을 조정하는 단계를 포함하는 고속조정 거울을 이용한 광섬유 자동 커플링 방법.According to claim 13,
The step of performing the location search,
removing noise from the correlation value of the lattice points using a Gaussian filter and then finding a point where the maximum correlation value is measured; and
An optical fiber automatic coupling method using a high-speed adjustment mirror comprising the step of adjusting the first high-speed adjustment mirror and the second high-speed adjustment mirror to a position where the maximum correlation value is measured. 제15 항에 있어서,
언덕 오르기 알고리즘을 이용하여 상기 최대 상관값이 측정된 위치를 찾는 고속조정 거울을 이용한 광섬유 자동 커플링 방법.According to claim 15,
Optical fiber automatic coupling method using a high-speed adjustment mirror to find the position where the maximum correlation value is measured using a hill climbing algorithm. 제13 항에 있어서,
상기 상관값은 자발 매개 하향 변환을 일으키는 비선형 결정을 이용하여 생성되는 아이들러 광자와 시그널 광자 각각이 단일광자검출기로 검출된 제1 단일광자검출신호와 제2 단일광자검출신호의 상관관계 분석으로 측정되는 고속조정 거울을 이용한 광섬유 자동 커플링 방법.According to claim 13,
The correlation value is measured by analyzing the correlation between the first single photon detection signal and the second single photon detection signal in which each of the idler photon and the signal photon generated using a nonlinear crystal that causes spontaneous mediated down conversion is detected by a single photon detector. Optical Fiber Automatic Coupling Method using High-Speed Adjustment Mirror.
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