Recently, along with the scientific and industrial growth of space mission projects such as earth observation, inter-satellite optical communication, or ground-to-space internet via low-earth-orbit (LEO) satellites, there has been an increasing demand for time/frequency synchronization between satellites, LiDAR and geodetics, and especially ground-to-satellite optical communication. For these applications, light should be coupled into a single-mode optical fiber, but due to the wandering effect of atmospheric turbulence, the light is shaken, which is a factor that makes it difficult to couple the optical fiber. Therefore, it can be achieved through beam tracking technology that compensates for the atmospheric effect and stabilizes the beam for a long period of time. In this study, by applying a closed loop with a fast-steering mirror with an electromagnetic coil and a commercial quadrant detector, the wandering effect in the atmosphere was effectively compensated. The standard deviation of the pointing error due to atmospheric turbulence decreased by 85% before and after the tracking system, and it was verified that the frequency component of the beam shaking phenomenon was mainly a low frequency component in the 100 Hz band. In addition, based on this technology, free spatial optical communication at a data speed of 1.5 Gbps based on real-time video (1980x1080p @ 30fps) signal was performed using a mach-zehnder modulator (MZM). In addition, the optical frequency comb can replace several lasers used in various wavelength channels, and the receiver system can be simplified by performing joint reception and processing of several wavelength channels. Through this, it is expected to overcome the environmental factors of the atmosphere and further increase the level of free-space optical communication between ground and satellite.
최근, 지구 관측, 위성 간 광 통신 또는 LEO(Low-Earth-Orbit) 위성을 통한 지상 대 우주 인터넷과 같은 우주 임무 프로젝트의 과학적 및 산업적 성장과 함께 위성 간 시간/주파수 동기화, 라이다와 측지학, 특히 지상-위성간 광통신에 대한 요구가 증가하고 있다. 이러한 응용 분야의 경우 빛은 단일 모드 광섬유로 결합되어야 하지만 대기 난류의 원더링 현상으로 인해 빛은 흔들리게 되며 이는 광섬유 결합을 어렵게 하는 요인이다. 따라서 이와 같은 원더링 현상의 대기 효과를 보상하여 장기간 빔을 안정화 시키는 빔 추적 기술을 통해 달성할 수 있다. 본 연구에서는 전자기 코일 방식의 고속 스티어링 미러와 저렴한 상용 사분면 검출기로 폐쇄 루프를 적용하여 1.3 km 대기의 원더링 현상을 효과적으로 보상하였다. 대기 난류로 인한 포인팅 에러의 표준편차는 추적 시스템 전후로 85 % 만큼 감소하였으며, 빔 떨림 현상의 주파수 성분은 주로 100 Hz 대역의 저주파 성분임을 검증하였다. 또한 이 기술을 바탕으로 고속변조가 가능한 MZM(Mach-Zehnder Modulator) 를 이용하여 실시간 비디오(1980x1080p @ 30fps) 신호 기반 1.5 Gbps 데이터 속도의 자유공간 광통신을 수행하였다. 뿐만 아니라 광 주파수 빗은 다양한 파장 채널에 사용되는 여러 레이저를 대체할 수 있으며 여러 파장 채널의 공동 수신 및 처리를 수행하여 수신기 체계를 단순화할 수 있다. 이를 통해 대기의 환경 요인을 극복하고 더 나아가 지상-인공위성 간의 자유 공간 광통신의 수준을 한층 더 높일 수 있을 것으로 기대한다.
