WO2021045454A1 - 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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WO2021045454A1
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quantum key
quantum
image detection
optical system
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배은덕
김이을
민승현
정연황
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(주)쎄트렉아이
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    • H—ELECTRICITY
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    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for satellites capable of observing Earth and distributing quantum keys, and more particularly, by using a shear optical system used for Earth observation, it can be used not only for Earth observation but also for quantum key distribution purposes. It relates to an onboard device for satellites with increased utilization.
  • Quantum Cryptography is based on the complexity of certain mathematical calculations and is reversible, so the faster the computer's computational speed, the more security problems arise.
  • Quantum Cryptography is based on irreversible physical phenomena that occur in photons rather than mathematical complexity, so unlike public key cryptography, mathematical access is impossible and security is guaranteed.
  • Quantum Key Distribution is a cryptosystem for such quantum cryptography.
  • the mission equipment for earth observation mounted on an artificial satellite is largely divided into an Electro-Optical (EO) camera, an Infra-Red (IR) camera, and a Synthetic Aperture Radar (SAR).
  • the electron optical camera is a fore-optics composed of a main and sub-reflector, and a barrel supporting two reflectors, a relay optics composed of the remaining optical parts, and an image detector and a detector. It consists of a camera electronics that is configured with additional electronic circuits.
  • the mission equipment mounted on the satellite for the quantum key distribution described above is configured in a form similar to that used in the electro-optical camera of the above-described satellite observation satellite.
  • the aperture of the shear optical system of the satellite and the size of the optical system used in the terrestrial terminal tend to have an inverse (not physically inverse) relationship. Accordingly, when the aperture of the shear optical system mounted on the satellite increases, the optical system of the terrestrial terminal can be designed and manufactured in a compact size. Using this principle, it is possible to reduce the manufacturing cost of the ground terminal, easy installation, and high mobility. This is the same principle as when the size of an antenna mounted on a satellite increases, as in the case of a communication broadcasting satellite, the size of a reception antenna on the ground decreases.
  • the wavelength division method is a method of separating electromagnetic waves (including visible light region) collected from the ground surface into two channels by arranging an optical splitter at the rear of the front end optical system of the earth observation electro-optical camera.
  • One of the two channels is connected to an electro-optical camera image detector, and the other is connected to a quantum key distribution module.
  • the wavelength division method refers to configuring an apparatus to perform quantum key distribution as well as earth observation by separating electromagnetic waves with constant energy into two paths.
  • the wavelength division method of separating the wavelength of light collected by the shear optical system using an optical splitter as shown in FIG. 1 inevitably causes energy loss depending on the splitting efficiency of the optical splitter.
  • the wavelength division method has a problem that the visible light band cannot be used for quantum key distribution.
  • the range of wavelengths used for earth observation is 450nm to 900nm (ie, wavelengths in the visible and near-infrared bands), so the wavelength division method is a channel for earth observation connected to an image detector, so that the wavelengths in the above range must be separated. Should be considered.
  • the wavelength division method is used to perform Earth observation and quantum key distribution, the wavelength of the visible light band used for Earth observation cannot be used for quantum key distribution.
  • the wavelength division method inevitably has a limitation in selecting the wavelength for quantum key distribution, and this has a significant effect on the link attenuation of the quantum channel, so the link margin in the transmission and reception of quantum key distribution. It has no choice but to be disadvantageous from the side.
  • the present invention is to solve the above-described problems, and based on the technical common point of utilizing the shear optical system of the satellite for earth observation and the satellite for quantum key distribution, the earth observation and quantum key distribution service is performed using a common shear optical system. It is an object of the present invention to provide a satellite-mounted device having a structural feature of a spatial division method that can be used.
  • the present invention has a technical common point that both the earth observation satellite and the quantum key distribution satellite require a large-aperture shear optical system for high spatial resolution and high key transmission rate. Focusing on the differences, it is not a simple combination of an earth observation satellite and a quantum key distribution satellite, but a structural feature that can utilize the existing earth observation satellite for quantum key distribution, and at the same time, it is to dramatically increase the utilization of the satellite. The purpose.
  • the apparatus for satellite observation and quantum key distribution is possible.
  • An optical system for transmitting and receiving electromagnetic waves transmitted from a ground surface, and at least one predetermined wavelength band from an electromagnetic wave focused through the optical system are used to observe the earth.
  • An image detection sensor that converts an electrical signal for conversion into an electrical signal and converts at least one specific wavelength band from an electromagnetic wave focused through an optical system into an electrical signal for quantum key distribution, or transmits a quantum signal output from a light source to the ground surface through an optical system.
  • a quantum key distribution transmitting and receiving unit is included, and the image detection sensor unit and the quantum key distribution transmitting and receiving unit may be disposed based on a focal plane determined by a focal length of an optical system.
  • the image detection sensor unit and the quantum key distribution transmission/reception unit according to an embodiment of the present invention may be disposed on a hyperplane.
  • the wavelength band used in the image detection sensor unit according to an embodiment of the present invention includes all or part of a visible light band and a near-infrared band, and the quantum key distribution transmitting and receiving unit includes a single specific wavelength among the visible and near-infrared bands. Alternatively, only a plurality of specific wavelengths may be used.
  • the image detection sensor unit may be disposed adjacent to the optical axis or the optical axis of the optical system, and the quantum key distribution transmission/reception unit may be disposed adjacent to the image detection sensor unit.
  • an apparatus for an artificial satellite capable of observing the earth and distributing quantum keys includes an image detection unit and a quantum key distribution transmitting and receiving unit for extracting an image for earth observation by digitally converting an electrical signal converted by an image detection sensor unit. It may further include a quantum signal light source/analysis unit configured to detect a photon from the electrical signal converted from and to analyze at least one of polarization or phase difference of the photon, or to output a quantum signal.
  • the quantum signal light source/analysis unit when the quantum signal light source/analysis unit outputs a quantum signal, the quantum signal light source/analysis unit generates a quantum signal for distribution of a quantum key, and the quantum key distribution transmission/reception unit includes the generated quantum signal. Can be sent.
  • An apparatus for an artificial satellite capable of observing the earth and distributing quantum keys further includes a reflector for transmitting the electromagnetic wave to the quantum key distribution transmitting and receiving unit by changing a path of the electromagnetic wave for distributing the quantum key, and the reflector is a hyperplane It can be placed in front of or behind.
  • the reflector according to an embodiment of the present invention may have a polygonal column shape.
  • the reflector according to an embodiment of the present invention may have a triangular column shape, and the reflective surface may be formed on an inclined surface having a triangular column shape.
  • a plurality of lenses for collimating or focusing electromagnetic waves passing through the hyperplane may be further included.
  • a plurality of lenses according to an embodiment of the present invention include a first lens for injecting an electromagnetic wave passing through a hyperplane into a reflector, and a second lens for focusing an electromagnetic wave reflected through the reflector to a quantum key distribution transmitting/receiving unit disposed at the rear of the hyperplane. It may include.
  • an apparatus for satellites capable of observing the earth and distributing quantum keys controls the operation of the observation channel formed by the image detection sensor unit and the quantum channel formed by the quantum key distribution transmitting/receiving unit for each time period. It may further include a channel control unit.
  • a single satellite is used for the purpose of earth observation during the day and for a quantum key distribution service at night, so that the utility of the satellite can be greatly improved, and the quantum key The cost and time required for the development and launch of satellites for distribution can be drastically improved.
  • the space division method energy loss can be prevented compared to the conventional wavelength division method.
  • the internal structure of the satellite can be simplified, and the visible light wavelength band can be used for quantum key distribution.
  • quantum key distribution as well as earth observation can be performed using a spatial division method using a single shear optical system, it is possible to ultimately provide a realistic environment for commercialization and implementation of a satellite system for quantum key distribution. .
  • 1 is a conceptual diagram of a satellite mounting apparatus using a conventional wavelength division method.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram of an apparatus for satellites capable of observing Earth and distributing quantum keys according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of a hyperplane of an optical system including a detection region of an image signal and a quantum signal according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of a satellite apparatus capable of observing Earth and distributing quantum keys according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of an apparatus for satellites capable of observing Earth and distributing quantum keys according to a third embodiment of the present invention.
  • the apparatus for satellite observation and quantum key distribution is possible.
  • An optical system for transmitting and receiving electromagnetic waves transmitted from a ground surface, and at least one predetermined wavelength band from an electromagnetic wave focused through the optical system are used to observe the earth.
  • An image detection sensor that converts an electrical signal for conversion into an electrical signal and converts at least one specific wavelength band from an electromagnetic wave focused through an optical system into an electrical signal for quantum key distribution, or transmits a quantum signal output from a light source to the ground surface through an optical system.
  • a quantum key distribution transmitting and receiving unit is included, and the image detection sensor unit and the quantum key distribution transmitting and receiving unit may be disposed based on a focal plane determined by a focal length of an optical system.
  • the image detection sensor unit and the quantum key distribution transmission/reception unit according to an embodiment of the present invention may be disposed on a hyperplane.
  • the wavelength band used in the image detection sensor unit according to an embodiment of the present invention includes all or part of a visible light band and a near-infrared band, and the quantum key distribution transmitting and receiving unit includes a single specific wavelength among the visible and near-infrared bands. Alternatively, only a plurality of specific wavelengths may be used.
  • the image detection sensor unit may be disposed adjacent to the optical axis or the optical axis of the optical system, and the quantum key distribution transmission/reception unit may be disposed adjacent to the image detection sensor unit.
  • an apparatus for an artificial satellite capable of observing the earth and distributing quantum keys includes an image detection unit and a quantum key distribution transmitting and receiving unit for extracting an image for earth observation by digitally converting an electrical signal converted by an image detection sensor unit. It may further include a quantum signal light source/analysis unit configured to detect a photon from the electrical signal converted from and to analyze at least one of polarization or phase difference of the photon, or to output a quantum signal.
  • the quantum signal light source/analysis unit when the quantum signal light source/analysis unit outputs a quantum signal, the quantum signal light source/analysis unit generates a quantum signal for distribution of a quantum key, and the quantum key distribution transmission/reception unit includes the generated quantum signal. Can be sent.
  • An apparatus for an artificial satellite capable of observing the earth and distributing quantum keys further includes a reflector for transmitting the electromagnetic wave to the quantum key distribution transmitting and receiving unit by changing a path of the electromagnetic wave for distributing the quantum key, and the reflector is a hyperplane It can be placed in front of or behind.
  • the reflector according to an embodiment of the present invention may have a polygonal column shape.
  • the reflector according to an embodiment of the present invention may have a triangular column shape, and the reflective surface may be formed on an inclined surface having a triangular column shape.
  • a plurality of lenses for collimating or focusing electromagnetic waves passing through the hyperplane may be further included.
  • a plurality of lenses according to an embodiment of the present invention include a first lens for injecting an electromagnetic wave passing through a hyperplane into a reflector, and a second lens for focusing an electromagnetic wave reflected through the reflector to a quantum key distribution transmitting/receiving unit disposed at the rear of the hyperplane. It may include.
  • an apparatus for satellites capable of observing the earth and distributing quantum keys controls the operation of the observation channel formed by the image detection sensor unit and the quantum channel formed by the quantum key distribution transmitting/receiving unit for each time period. It may further include a channel control unit.
  • electromagnetic waves may be classified as light or electromagnetic waves for earth observation and quantum key distribution by a person of ordinary skill in the art based on the embodiments described below. Accordingly, light or electromagnetic waves for earth observation and quantum key distribution throughout the specification are collectively referred to as “electromagnetic waves”.
  • FIG. 2 is a conceptual diagram of an apparatus for satellites capable of observing Earth and distributing quantum keys according to the first embodiment of the present invention.
  • the apparatus for satellites capable of observing the earth and distributing quantum keys uses a spatial division method rather than a method of dividing a wavelength of light collected from a ground surface.
  • the spatial division method refers to a method of forming two paths through which light travels by spatially arranging an earth observation configuration and a quantum key distribution configuration respectively at the rear of the optical system 100.
  • the spatial division method does not separate and use the light collected from the ground surface as in the wavelength division method, but divides the paths that light with constant energy travels inside the device into two to observe the earth as well as distribute quantum keys. It refers to configuring the device to be able to do so.
  • the spatial division method as shown in FIG. 2 can alleviate both problems of the wavelength division method as in FIG. 1 described above.
  • the spatial division method spatially separates the movement path of light to perform earth observation or quantum key distribution. There is an advantage that almost no energy loss occurs. Since the spatial division method does not require additional components such as an optical splitter to be additionally disposed like the wavelength division method, there is an advantage of higher spatial utilization inside the device.
  • the spatial division method when receiving a quantum signal, has the advantage of using light in the visible light band for quantum key distribution, unlike the wavelength division method. Since the spatial division method does not need to consider the wavelength of the visible light band applied to the earth observation channel, it is possible to select an optimal wavelength for performing quantum key distribution.
  • the visible light band is short-wave infrared (SWIR) due to the optical divergence characteristic. : Short Wave Infrared) Because the link margin is large compared to the band (ie, the quantum key transmission rate is high), it is advantageous to use light in the visible light band for quantum key distribution.
  • the spatial division method can use light in the visible light band for quantum key distribution
  • the link margin can be maximized compared to the wavelength division method in the downlink process of the quantum key distribution. That is, in the spatial division method, it is possible to select a wavelength for proper quantum key distribution in consideration of the aperture, atmospheric conditions, wavelength, etc. of the optical system 100 that affect the link attenuation of the quantum channel. It is advantageous in terms of link margin in transmission and reception.
  • the apparatus for an artificial satellite includes an optical system 100 for transmitting and receiving an electromagnetic wave transmitted from a ground surface, and at least a predetermined wavelength band from an electromagnetic wave focused through the optical system 100.
  • the image detection sensor unit 200 converts into an electrical signal for earth observation and at least one specific wavelength band from the electromagnetic wave focused through the optical system 100 is converted into an electrical signal for quantum key distribution, or a quantum signal light source to be described later/ It may include a quantum key distribution transmitting and receiving unit 300 for transmitting the quantum signal output through the analysis unit 310 to the ground surface through the optical system.
  • the optical system 100 may focus electromagnetic waves transmitted from a specific target to a detection sensor.
  • the specific target may mean an object on the earth for which an image is desired to be detected from the perspective of earth observation, or may mean a terrestrial terminal from the perspective of quantum key distribution.
  • the optical system 100 may serve as an output terminal for transmitting a quantum signal to a specific target on the ground. That is, the optical system 100 disposed at the front end of the device may be used to receive at least one of electromagnetic waves transmitted from the earth for earth observation or quantum key distribution, or to transmit a signal generated by the device to the earth.
  • the image detection sensor unit 200 is configured to detect an image signal for earth observation from an electromagnetic wave, and minimizes a wave-front error (WFE) caused by the optical system 100
  • WFE wave-front error
  • it may be disposed adjacent to the optical axis or the optical axis of the optical system 100. Since the image quality of Earth observation is very sensitively affected by the wavefront error by the optical system 100, the image detection sensor unit 200 is designed, manufactured, and manufactured to minimize the wavefront error within the swath width. It must be assembled and aligned.
  • the size of the spot required on the focal plane (FP) should be similar to the size of the pixel. That is, in order to obtain a high-quality image by minimizing the wavefront error, the dispositionable area (i.e. observation width) of the image detection sensor unit 200 may be limited on the optical axis or around the optical axis as shown in FIG. 2.
  • Quantum key distribution transmitting and receiving unit 300 is a configuration for detecting a quantum signal for quantum key distribution from an electromagnetic wave or outputting a quantum signal, and is disposed adjacent to the image detection sensor unit 200 Can be. Quantum key distribution is important to minimize polarization and loss of photons rather than wavefront errors. Accordingly, the dispositionable area of the quantum key distribution transmission/reception unit 300 may be formed wider than that of the image detection sensor unit 200. However, in order to minimize energy loss, the quantum key distribution transmitting/receiving unit 300 detects an image as shown in FIG. 2 within a physically permitted range (ie, within a range in which the size of the optical system 100 and the size of the detection sensor are considered). It is preferable to be disposed as close as possible to the sensor unit 200 (ie the optical axis).
  • a single photon detector (SPD) having high reactivity may be used for single photon detection.
  • the single photon detector may have a pixel size of several hundred micrometers.
  • the image detection sensor unit 200 and the quantum key distribution transmission/reception unit 300 are super-planar (A-A') determined by the focal length of the optical system 100. Can be placed on top.
  • the hyperplane refers to a virtual focal plane formed at the focal length of the optical system 100 disposed at the front end of the device. That is, the electromagnetic wave transmitted from the point light source of infinite distance (ie ground) passes through the optical system 100 and forms an image on the hyperplane (A-A') determined by the focal length of the optical system 100.
  • the image detection sensor unit 200 and the quantum key distribution transmission/reception unit 300 may be disposed on the formed hyperplane A-A′ based on the above-described optical axis.
  • the image detection sensor unit 200 is disposed on the optical axis based on the hyperplane A-A′ of the optical system 100, and the hyperplane A-A′ of the optical system 100 is As a reference, the quantum key distribution transmission/reception unit 300 may be disposed adjacent to the image detection sensor unit 200 in parallel. In this way, when the image detection sensor unit 200 and the quantum key distribution transmission/reception unit 300 are arranged in a manner of dividing the space based on the hyperplane (A-A'), electromagnetic wave energy for not only earth observation but also quantum key distribution Loss can be minimized.
  • the apparatus for an artificial satellite includes an image detection unit 210 for extracting an image for earth observation by digitally converting an electrical signal converted by the image detection sensor unit 200, and It may further include a quantum signal light source/analysis unit 310 configured to detect photons from the electrical signal converted by the quantum key distribution transmission/reception unit 300, analyze at least one of polarization or phase difference of the photons, or output a quantum signal. have.
  • the image detection unit 210 connected to the image detection sensor unit 200 according to the first embodiment of the present invention is an image (or image) for earth observation based on the image signal detected by the image detection sensor unit 200. Can be obtained.
  • the image acquired by the image detection unit 210 may be stored in a memory unit and transmitted to the ground through a separate communication unit. In this case, the image detector 210 may have a pixel size of several micrometers.
  • the quantum signal light source/analysis unit 310 connected to the quantum key distribution transmission/reception unit 300 serves as a receiver
  • the quantum signal light source/analysis unit 310 is used to distribute the quantum key.
  • Quantum signals may be analyzed based on photons detected by the transceiving unit 300 and stored in the memory unit.
  • the quantum signal light source/analysis unit 310 is a quantum light source and provides a quantum signal for quantum key exchange. Can generate and output quantum signals.
  • the quantum key distribution transceiver 300 may transmit a quantum signal. That is, the quantum signal light source/analysis unit 310 may operate as an electronic module or an optical module depending on whether the quantum key is received or transmitted.
  • the quantum signal light source/analysis unit 310 includes a laser communication terminal, a location tracker (Pointing, Acquisition, & Tracking System), a quantum generator, and a polarization analyzer ( Polarization Analyzer), and Key Management & Hardware Security Module. This is a minimum configuration for receiving or transmitting a quantum key, and is not limited to the above-described example, and the quantum signal light source/analysis unit 310 may additionally include necessary configurations according to the purpose of the quantum key distribution.
  • FIG 3 is a cross-sectional view of an optical system hyperplane A-A' including a detection area of an image signal and a quantum signal according to an embodiment of the present invention.
  • the image signal detection area 11 is a hyperplane (A-A') as shown in FIG. 3A. It can be formed in the center of the.
  • the quantum key distribution transmitting/receiving unit 300 may be disposed anywhere on the hyperplane (A-A′) due to less influence of the wavefront error, but the image detection sensor unit Since it is disposed adjacent to 200, the quantum signal detection region 12 may be formed adjacent to the center of the hyperplane A-A' as shown in FIG. 3A.
  • the image signal detection area 11 is a quantum signal as shown in FIG. 3(a). It may be formed wider than the detection area 12.
  • the image signal detection region 11 for earth observation may include a plurality of multi-spectral (MS) bands in addition to a panchromatic (PAN) band.
  • MS multi-spectral
  • PAN panchromatic
  • a space of each band is allocated around the center of the hyperplane (A-A'), and each band may use only a part of the electromagnetic wave received through the optical system 100. That is, since the wavefront error increases toward the outer side of the optical axis on the hyperplane (A-A'), the band area (ie observation width) is limited as shown in Fig. 3(b) in order to maintain the image quality above a certain level. It can be formed as
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of a satellite apparatus capable of observing Earth and distributing quantum keys according to a second embodiment of the present invention.
  • the quantum key distribution transmission/reception unit 300 is It can be placed in front of (A-A').
  • the satellite apparatus according to the second embodiment of the present invention may further include a reflector 400. That is, by changing the path of the electromagnetic wave for quantum key distribution through the reflector 400 disposed in front of the hyperplane (A-A'), the space between the image detection sensor unit 200 and the quantum key distribution transmission/reception unit 300 Can be easily arranged.
  • the reflector 400 is within a range that does not interfere with the image detection sensor unit 200 disposed on the hyperplane (A-A′) and the optical axis (ie, the image detection sensor unit 200 ) May be disposed adjacent to each other within a range that does not interfere with the incident electromagnetic waves.
  • the reflector 400 may be disposed in front of the hyperplane A-A′ (e.g. between the optical system and the hyperplane).
  • the quantum key distribution transmitting/receiving unit 300 may be disposed along a path of an electromagnetic wave that is changed in a vertical direction from the front of the hyperplane A-A' by the reflector 400. That is, the quantum key distribution transmitting/receiving unit 300 may be disposed perpendicularly to the image detection sensor unit 200 in front of the hyperplane A-A′ through the reflector 400.
  • FIG. 5 is a conceptual diagram of an apparatus for satellites capable of observing Earth and distributing quantum keys according to a third embodiment of the present invention.
  • the quantum key distribution transmission/reception unit 300 in order to increase the spatial utilization of the image detection sensor unit 200 and the quantum key distribution transmission/reception unit 300 disposed inside the satellite device, the quantum key distribution transmission/reception unit 300 is It can be placed in the rear of (A-A').
  • the first lens 500 for collimation of electromagnetic waves that have passed through the hyperplane (A-A'), and the quantum key distribution transmitting/receiving unit 300 are super-planar ( A-A'), the reflector 400 and the electromagnetic wave reflected through the reflector 400 to be disposed in the rear of the quantum key distribution transmission and reception unit 300, or the quantum key distribution transmission and reception unit 300 It may further include a second lens 600 for collimating the electromagnetic wave.
  • the spatial arrangement between the image detection sensor unit 200 and the quantum key distribution transmission/reception unit 300 can be facilitated, and the degree of freedom of arrangement of components that can be additionally connected to the rear end of the detection sensor can be increased.
  • the electromagnetic wave is spread as it passes through the optical system hyperplane A-A', and the first lens ( 500) can be deployed first.
  • the reflector 400 may be disposed behind the first lens 500. Since interference with the image detection sensor unit 200 through the first lens 500 need not be considered, compared to the second embodiment, the reflector 400 can be freely disposed at a desired position behind the hyperplane A-A'. I can.
  • the second lens 600 and the quantum key distribution transmitting/receiving unit 300 may be sequentially disposed along the path of the electromagnetic wave changed by the reflector 400. Therefore, the quantum key distribution transmission/reception unit 300 is perpendicular to the image detection sensor unit 200 from the rear of the hyperplane A-A' through the first lens 500, the reflector 400, and the second lens 600. Can be arranged in a way.
  • the reflector 400 may be formed in a triangular column shape so as to be disposed close to the center of the hyperplane A-A'.
  • the reflector 400 may be formed in the shape of a triangular column having a triangular cross section in order to form the quantum signal detection space as close to the optical axis as possible.
  • a reflective surface may be formed on an inclined surface of the reflector 400 having a triangular column shape.
  • the reflective surface is formed on the other end surface other than the inclined surface, it may interfere with the electromagnetic wave incident to the image detection sensor unit 200, so that the reflective surface may be formed only on the inclined surface of the triangular pillar-shaped reflector 400.
  • the shape of the reflector 400 is to increase space utilization by vertically arranging the image detection sensor unit 200 and the quantum key distribution transmission/reception unit 300, the reflector 400 is the image detection sensor unit 200 As the mutual arrangement of the and quantum key distribution transmitting/receiving unit 300 is deformed, it may be formed not only in a triangular column shape but also in various polygonal column shapes.
  • the contents of the first embodiment may be equally applied. . Accordingly, descriptions of the same contents as those of the first embodiment have been omitted.
  • the satellite device capable of observing the earth and distributing quantum keys includes an observation channel formed by the image detection sensor unit 200 and quantum key distribution transmitting and receiving unit 300. It may further include a channel controller (not shown) that controls the operation of the channel for each time period.
  • a channel controller (not shown) that controls the operation of the channel for each time period.
  • earth observation is performed during the day time when the surface of the earth is sufficiently bright
  • quantum key distribution is performed during the night time when there is less light noise. Therefore, in order to increase the utilization of the satellite, the satellite device can perform the earth observation by controlling the operation of the observation channel during the day through the channel control unit, and control the operation of the quantum channel during the night time to perform quantum key distribution.
  • the time zone used as the reference for channel control may be preset to a predetermined range value on the channel control unit or may be set or changed by a signal received from the ground.

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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
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.
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 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 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.

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 센서부 및 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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