KR102205382B1 - 광학 빔으로부터 광학 에너지를 추출하는 방법 - Google Patents

광학 빔으로부터 광학 에너지를 추출하는 방법 Download PDF

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Abstract

방법은 광원에 의해 방사된 광을 사용하여 1차 빔을 생성하는 단계를 포함한다. 방법은 망원경의 렌즈를 사용하여 광의 부분을 사용하는 2차 빔을 생성하는 단계를 포함한다. 렌즈는 렌즈의 제 1 표면 상에 위치되는 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들을 포함하며, 2차 빔은 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들을 사용하여 광의 부분을 방향 전환함으로써 생성된다.

Description

광학 빔으로부터 광학 에너지를 추출하는 방법 {METHOD FOR EXTRACTING OPTICAL ENERGY FROM AN OPTICAL BEAM}
본 개시는, 일반적으로, 광통신(optical communication)들에서 사용하기 위한 비콘 빔(beacon beam)을 생성하도록 구성되는 렌즈("광학 소자"라고도 함)를 포함하는 광통신 시스템들에 관한 것이다.
광통신 시스템들, 이를 테면 레이저 통신 시스템들은, 자유 공간을 통해(예컨대, 에어 또는 스페이스를 통해) 원거리(great distance)(예컨대, 수 마일)에 걸쳐 데이터를 통신하기 위해 지향된 광 빔을 사용할 수 있다. 광 빔은, 제 1 디바이스(예컨대, 제 1 레이저 통신 단말기(communication terminal))에 의해 생성될 수 있으며, 제 1 디바이스에 원격으로 위치된 제 2 디바이스(예컨대, 다른 레이저 통신 단말기)에서 수신될 수 있다. 제 1 디바이스 및 제 2 디바이스는 데이터를 전송 및 수신하기 위한 2 방향(two way) 통신들을 수립하기 위해서 광 빔을 사용할 수 있다. 제 2 디바이스는 광 빔을 위치시키는데 어려울 수 있는데, 왜냐하면 광 빔은 폭이 좁은 각 분산도(narrow angular divergence)를 가질 수 있기 때문이다. 광 빔을 검출하기 위한 제 2 디바이스의 능력을 증가시키기 위해서, 제 1 디바이스는 비콘 빔을 생성할 수 있다. 비콘 빔을 위한 광학 에너지(즉, 광(light))는: (1) 주(main) 광학 에너지 소스(optical energy source)(예컨대, 레이저)에 인접하게 위치된 전용의 비콘 광학 소스(예컨대, 비콘 빔 광원(light source)); 또는 (2) 비콘 빔 발생시에 사용하기 위해서 추출될 수 있는 주 광학 에너지 소스(예컨대, 레이저)에 의해 발생된 광학 에너지의 일부에 의해 발생될 수 있다. 두 번째 예에서, 기계적 마운트 또는 브래킷이 광 빔의 부분을 방향 전환하기(divert) 위해서 광(예컨대, 주 광학 에너지 소스에 의해 발생되는 광) 빔의 경로 내에 렌즈를 위치시킬 수 있다. 기계적 마운트 또는 브래킷은, 광 빔의 부분이 제 1 디바이스로부터 제 2 디바이스로 전송되는 것을 차단할 수 있다. 광 빔의 차단된 부분은 광 빔의 세기(intensity)를 감소시킨다.
레이저 통신 단말기는, 제 2 레이저 통신 단말기와의 통신을 수립하는데 사용하기 위한 비콘 빔을 생성하도록 구성되는 렌즈를 포함할 수 있다. 렌즈는 렌즈의 표면 상에 위치되는 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들을 포함한다. 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들은 레이저 통신 단말기의 광원으로부터 방사된 광의 부분을 방향 전환함으로써 비콘 빔을 생성하도록 구성된다. 렌즈는 실질적으로 투명한 판(clear plate)(예컨대, 광학 유리 판 또는 중합체 판)일 수 있다. 또한, 레이저 통신 단말기는, 원격 레이저 통신 단말기와의 통신시에 사용하기 위한 1차 빔을 생성하도록 구성될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들은, 1차 빔을 생성하는데 사용되는 광의 부분을 방향 전환하여 비콘 빔을 생성하도록 구성될 수 있다. 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들이 실질적으로 투명한 렌즈에 의해 광의 경로에 유지되기 때문에, 기계적 마운트들 및 브래킷들과 연관된 광의 손실이 제거될 수 있다. 추가로, 본원에 개시된 실시예들 중 하나 또는 그 초과의 실시예에서 설명된 렌즈를 포함하는 레이저 통신 단말기는, 기계적 마운트들 또는 브래킷들을 사용하는 레이저 통신 단말기들에 비교하는 경우, 감소된 전송 출력(transmission power)으로 통신 데이터 속도(data rate) 및/또는 소망하는 빔 세기를 성취하는 것을 가능케 할 수 있다.
특별한 실시예에서, 장치는, 광원, 1차 미러, 2차 미러 및 렌즈를 포함한다. 광원은, 가우시안 세기 프로파일(Gaussian intensity profile)을 갖는 광, 이를테면 레이저 빔을 방사하도록 구성될 수 있다. 1차 미러 및 2차 미러는 카세그레인 광학 시스템(Cassegrain optical system)을 형성할 수 있다. 렌즈는, 렌즈의 제 1 표면 상에 위치되는 2 개의 굴절 요소들을 포함한다. 2 개의 굴절 요소들은, 렌즈의 제 1 표면의 중심으로부터 대략 등거리에 위치될 수 있다. 1차 미러 및 2차 미러는 광원으로부터 방사된 광을 사용하여 1차 빔을 생성하도록 구성될 수 있다. 렌즈는 광원과 1차 미러 사이에 위치되며, 2 개의 굴절 요소들은 광원으로부터 방사된 광의 적어도 일부를 사용하여 비콘 빔을 생성하도록 구성될 수 있다. 비콘 빔은 원거리(far-field)에서 균일하고 밸런싱된 방식으로 중첩 및/또는 수렴(converge)하는 2 개의 각각의 비콘 빔들을 포함할 수 있다. 제 1 각각의 비콘 빔은, 제 1 굴절 요소에 의해 생성될 수 있고, 제 2 각각의 비콘 빔은 제 2 굴절 요소에 의해 생성될 수 있다.
다른 실시예에서, 레이저 통신 단말기는 제 1 렌즈, 제 2 렌즈 및 광원을 포함한다. 제 1 렌즈는 대물 렌즈(objective lens)일 수 있으며, 제 1 렌즈 및 광원은 중심 차폐물(central obstruction)을 갖지 않는 굴절 광학 시스템(예컨대, 굴절 망원경(refractive telescope))을 형성하도록 배열될 수 있다. 제 2 렌즈는, 비콘 빔을 생성하도록 구성된 중심에 위치된 굴절 요소를 포함하며, 광원과 제 1 렌즈 사이에 위치될 수 있다. 중심에 위치된 굴절 요소는 레이저 통신 단말기의 광학 축선 상에서 센터링(centered)될 수 있다. 레이저 통신 단말기의 제 1 렌즈는, 광원으로부터 방사된 광을 사용하여 1차 빔을 생성하도록 구성되며, 제 2 렌즈의 중심에 위치된 굴절 요소는 광원으로부터 방사된 광의 적어도 일부를 사용하여 단일 비콘 빔을 생성하도록 구성될 수 있다.
실시예에서, 렌즈는 제 1 표면 및 제 2 표면을 가지며, 여기서 제 1 표면은 제 2 표면으로부터 렌즈의 두께만큼 분리될 수 있다. 렌즈의 제 1 표면은 제 1 굴절 요소 및 제 2 굴절 요소를 포함할 수 있다. 제 1 굴절 요소 및 제 2 굴절 요소는, 렌즈의 제 1 표면의 중심으로부터 대략 등거리에 위치될 수 있다. 렌즈가 망원경에 통합된 경우, 제 1 굴절 요소 및 제 2 굴절 요소는 망원경의 광원으로부터 방사된 광이 렌즈를 통과하는 경우 비콘 빔을 생성하도록 구성될 수 있다. 비콘 빔은 원거리에서 균일하고 밸런싱된 방식으로 중첩 및/또는 수렴하는 2 개의 각각의 비콘 빔들을 포함할 수 있다. 제 1 각각의 비콘 빔은, 제 1 굴절 요소에 의해 생성될 수 있고, 제 2 각각의 비콘 빔은 제 2 굴절 요소에 의해 생성될 수 있다.
다른 실시예에서, 방법은 광원에 의해 방사된 광을 사용하여 1차 빔을 생성하는 단계를 포함한다. 1차 빔은 전형적인 카세그레인 광학 어레인지먼트에서와 같이, 망원경의 1차 미러 및 2차 미러를 사용하여 광을 반사시킴으로써 생성될 수 있거나, 또는 1차 빔은 전형적인 굴절 광학 어레인지먼트에서와 같이, 대물 렌즈에 의해 생성될 수 있다. 방법은, 망원경의 렌즈를 사용하여 광의 부분을 사용하는 2차 빔(예컨대, 비콘 빔)을 생성하는 단계를 포함한다. 중심 차폐물을 갖는 광학 시스템(예컨대, 카세그레인 광학 어레인지먼트에 따라 배열되는 망원경들)에서, 렌즈는 렌즈의 제 1 표면의 중심으로부터 대략 등거리로 위치되는 2 개 또는 그 초과의 굴절 요소들을 포함하며, 2차 빔은 2 개 또는 그 초과의 굴절 요소들을 사용하여 광의 부분을 방향 전환함으로써 생성된다. 중심 차폐물을 포함하지 않는 광학 시스템(예컨대, 굴절 광학 어레인지먼트에 따라 배열되는 망원경들)에서, 렌즈는 렌즈의 표면 상에 위치되는 중심에 위치되는 굴절 요소를 포함하며, 2차 빔은 중심에 위치되는 굴절 요소를 사용하여 광의 부분을 방향 전환함으로써 생성된다.
도 1은 1차 빔 및 비콘 빔을 생성하도록 구성된 레이저 통신 단말기의 예시적 실시예의 블록도이다.
도 2는 비콘 빔을 생성하도록 구성된 렌즈의 예시적 실시예이다.
도 3은 비콘 빔을 생성하도록 구성된 렌즈의 프로파일 뷰이다.
도 4는 레이저 통신 시스템의 예시적 실시예이다.
도 5는 1차 빔 및 2차 빔과 연관된 광 세기 프로파일들의 예시적 예들을 포함한다.
도 6은 1차 빔 및 2차 빔을 생성하는 방법의 실시예의 플로우차트이다.
도 1을 참조하면, 1차 빔 및 2차 빔(비콘 빔)을 생성하도록 구성된 레이저 통신 단말기(100)의 예시적 실시예의 블록도가 도시된다. 레이저 통신 단말기(100)는, 광원(102), 1차 미러(104), 2차 미러(106) 및 렌즈(120)를 포함한다. 실시예에서, 광원(102)은 레이저 통신 단말기(100) 외부에 있으며 이 단말기와 별개의 것일 수 있다. 실시예에서, 광원(102)은 레이저일 수 있으며, 및/또는 다른 컴포넌트들(예컨대, 프리즘들, 미러들 등)을 포함할 수 있다.
1차 미러(104) 및 2차 미러(106)는 광원(102)으로부터 방사된 광(110)을 사용하여 1차 빔(110B)을 발생시키도록 구성될 수 있다. 예시를 위해, 광원(102)은, 광(110)이 2차 미러(106)를 향해 지향되도록 광(110)을 방사하게 구성될 수 있다. 실시예에서, 1차 미러(104) 및 2차 미러(106)는 카세그레인(Cassegrain) 광학 시스템을 형성할 수 있다. 1차 미러(104)는 광(110)이 1차 미러(104)를 통해 차폐되지 않고 2차 미러(106)를 통과하는 것이 가능하도록 구성된 중심 애퍼쳐(central aperture)(도 1에 도시 생략)을 포함할 수 있다. 2차 미러(106)는 광(110A)으로서 1차 미러(104)를 향해 대부분의 광(110)을 반사하도록 구성될 수 있다. 1차 미러(104)는 1차 빔(110B)으로서 광(110A)을 반사하도록 구성될 수 있다.
실시예에서, 레이저 통신 단말기(100)는 레이저 통신 시스템의 부품으로서 작동할 수 있으며, 1차 빔(110B)을 통해 원격 레이저 통신 단말기(도 1에 도시 생략)에 데이터를 전송할 수 있다. 예컨대, 데이터는 (예컨대, 진폭 변조, 주파수 변조, 펄스 폭 변조 등을 사용하여) 1차 빔(110B) 내에 인코딩(encoded)될 수 있다. 실시예에서, 1차 빔(110B)은 실질적으로 시준된 빔(collimated beam)이다. 1차 빔(110B)은, 레이저 통신 단말기(100)로부터, 개방 공간(예컨대, 에어, 스페이스 등)을 통해 그리고 장거리들(예컨대, 1 마일을 초과할 수 있는 거리들)에 걸쳐, 원격 레이저 통신 단말기로 전송될 수 있다. 특별한 실시예에서, 레이저 통신 단말기(100)는 제 1 망원경일 수 있으며, 원격 레이저 통신 단말기(도 1에 도시 생략)는 제 2 망원경일 수 있다. 제 1 망원경 및 제 2 망원경은, 전자기 방사(electromagnetic radiation)를 수집, 전송 및 수신하고 관측을 돕는 도구들에 대응할 수 있다.
원격 레이저 통신 단말기에서 1차 빔(110B)을 검출하는 것은, 레이저 통신 단말기(100)로부터의 1차 빔(110B)의 작은 각 분산도(angular divergence)로 인해 그리고 레이저 통신 단말기(100)로부터 1차 빔(110B)을 목적으로 하는 곳에 대한 정확한 선험적 지식(priori knowledge)의 부족으로 인해 어려울 수 있어서, 1차 빔(110B)은 원격 레이저 통신 단말기의 수신 애퍼쳐에서 차단되거나 수신된다. 예컨대, 1차 빔(110B)은 대략 1 내지 2 각초(arc second)의 각 분산도를 가질 수 있다. 원격 레이저 통신 단말기에서 1차 빔(110B)의 가시성(visibility)을 향상시키기 위해, 그리고 원격 레이저 통신 단말기가 위치를 찾고 1차 빔(110B)을 통해 데이터 수신을 시작할 수 있는 속도를 증가시키기 위해, 레이저 통신 단말기(100)는 렌즈(120)를 사용하여 비콘 빔(122)을 생성할 수 있다. 비콘 빔(122)은 원격 레이저 통신 단말기에 의한 1차 빔(110B)을 위치시키는 것을 용이하게 할 수 있다. 전술된 바와 같이, 레이저 통신 단말기(100)에 의해 생성된 1차 빔(110B)은 작은 각 분산도(예컨대, 1 내지 2 각초들)를 가질 수 있으며, 이러한 작은 각 분산도는 원격 레이저 통신 단말기가 레이저 통신 단말기(100)로부터 수 마일 떨어져 위치되는 경우, 위치를 찾거나 또는 검출하는 것이 어려울 수 있다. 이에 반해, 레이저 통신 단말기(100)에 의해 생성된 비콘 빔(122)은 적당히 큰 각 분산도(예컨대, 십분의 몇도(a few tenths of a degree))를 가질 수 있다. 예컨대, 비콘 빔(122)의 직경은, 원거리에서(즉, 원격 레이저 통신 단말기의 위치에서) 1차 빔(110B)의 직경보다 더 클 수 있다. 원거리에서 비콘 빔(122)의 직경은, 원격 레이저 통신 단말기의 수신 애퍼쳐를 에워쌀 정도로 충분히 클 수 있다. 따라서, 레이저 통신 단말기(100)는 "인공 별(artificial star)"로서 원격 단말기에서 가시적일 것이며, 이에 따라 연속적인 추적 목적들을 위해서 맞물림하거나 "락 온(lock on)"하도록 원격 레이저 통신 단말기에 광학 신호를 제공할 것이다. 2 방향 통신이 고려된다면, 유사한 구조적 어레인지먼트가 원격 레이저 통신 단말기에서 구현될 수 있으며, 따라서 "락 온"하도록 레이저 통신 단말기(100)에 "인공 별"을 제공한다. 예컨대, 원격 레이저 통신 단말기는 레이저 통신 단말기(100)의 렌즈(120), 1차 미러(104), 및 제 2 미러(106)의 어레인지먼트와 유사한 방식으로 배열되는, 렌즈, 1차 미러, 및 제 2 미러를 포함할 수 있다. 특별한 실시예에서, 비콘 빔(122), 1차 빔(110B) 또는 양자 모두는 원거리에서 비원형 단면을 가질 수 있다. 이 실시예에서, 비콘 빔(122)의 단면의 특성 길이(characteristic length)는, 1차 빔(110B)의 단면의 대응하는 특성 길이보다 더 클 수 있다.
실시예에서, 렌즈(120)의 표면들은, 실질적으로 평탄(예컨대, 평면형 또는 소망하는 기계가공 허용 공차 이내)할 수 있다. 실시예에서, 렌즈(120)는 1차 빔(110B)의 파장을 투과하는 재료로 만들어질 수 있다(예컨대, 렌즈(120)는 실질적으로 광학적으로 중립(neutral)일 수 있음). 렌즈(120)는 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들을 포함할 수 있다. 예컨대, 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들이, 렌즈(120)의 제 1 표면 상에, 렌즈(120)의 제 2 표면 상에, 렌즈(120) 내에, 또는 렌즈(120)의 제 1 표면 및 제 2 표면 상에 위치될 수 있다. 렌즈가 2 개 또는 그 초과의 굴절 요소들을 포함하는 경우, 2 개 또는 그 초과의 굴절 요소들은 렌즈의 제 1 표면의 중심으로부터 대략 등거리에 위치될 수 있다. 렌즈가 하나의 굴절 요소를 포함하는 경우(즉, 렌즈가 중심 차폐물을 포함하지 않는 망원경 내에 통합되는 경우), 하나의 굴절 요소가 중심에 있게 위치될 수 있다.
하나 또는 그 초과의 굴절 요소들은 광원(102)에 의해 방사되는 광(110)의 적어도 일부를 사용하여 비콘 빔(122)을 생성하도록 구성될 수 있다. 실시예에서, 렌즈(120)가 2 개 또는 그 초과의 굴절 요소들을 포함하는 경우, 2 개 또는 그 초과의 굴절 요소들 중 제 1 굴절 요소는 광(110)의 제 1 부분(122A)을 방향 전환할 수 있고 2 개 또는 그 초과의 굴절 요소들 중 제 2 굴절 요소는 광(110)의 제 2 부분(122B)을 방향 전환할 수 있다(추가의 굴절 요소들에 대해서도 이런 식임). 비콘 빔(122)은 제 1 부분(122A) 및 제 2 부분(122B)에 대응하는 광의 전부 또는 일부를 포함할 수 있다(추가의 굴절 요소들에 대해서도 이런 식임). 실시예에서, 제 1 부분(122A)은 제 1 비콘 빔을 형성할 수 있으며, 제 2 부분(122B)은 제 2 비콘 빔을 형성할 수 있다. 제 1 비콘 빔 및 제 2 비콘 빔은 원거리(far field)에서 보는 경우, 단일 비콘 빔(예컨대, 비콘 빔(122))처럼 보일 수 있다. 실시예에서, 렌즈(120)는 도 1에 도시된 바와 같이 광원(102)과 1 차 미러(104) 사이에 위치될 수 있다. 다른 실시예에서, 렌즈(120)는 1차 미러(104)의 중심 애퍼쳐 내에 또는, 비콘 빔(122A)을 형성하기에 적합한 다른 위치에 위치될 수 있다.
실시예에서, 렌즈(120)의 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들은 광(110)의 부분을 비교적 큰 각도로 방향 전환함으로써 비콘 빔(122)을 생성하도록 구성될 수 있어, 광(110)의 방향 전환된 부분 중 일부가 2차 미러(106)를 우회한다(예컨대, 2차 미러에 의해 반사되지 않음). 당업자는, 이것이 비콘 빔(122)의 원거리 광학 방사 패턴(optical radiation pattern)에서의 불연속성을 발생시킬 수 있다는 것을 인식할 것이다. 비콘 빔(122)의 원거리 광학 방사 패턴에서의 불연속성은, 레이저 통신 단말기(100)의 특별한 용례에 적합하지 않을 수 있다. 따라서, 다른 실시예에서, 렌즈(120)의 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들은, 광(110)의 부분을 덜 강하게 분기하는(diverging) 비콘 빔(122)으로 방향 전환함으로써 비콘 빔(122)을 생성하도록 구성될 수 있어, 비콘 빔(122)이 2차 미러(106) 및 1차 미러(104) 양자 모두에 의해 차단되고 이에 의해 반사된다. 이 실시예에서, 비콘 빔(122)은 레이저 통신 단말기(100)에 의해 발생된 1차 빔(110B)의 약간 아웃포커스(out-of-focus) 부분으로서 고려될 수 있다. 이 실시예는, 비콘 빔(122)의 원거리 광학 방사 패턴에서의 불연속성을 제거할 수 있다. 특히, 하나 또는 그 초과의 비축 비콘(off-axis beacon) 빔들이 렌즈(120)의 굴절 요소들에 의해 생성될 수 있어서―이는 결국 1차 미러(104) 및 2차 미러(106)의 각각의 비축 부분들로부터 반사될 것임―, 하나 또는 그 초과의 비콘 빔들이 레이저 통신 단말기(100)를 나갈 때, 2차 미러(106)가 이들을 차폐하지 않을 것이다. 따라서, 원거리 방사 패턴은 불연속성을 갖지 않을 것이다. 렌즈(120)의 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들의 광학 출력은, 비콘 빔(122)의 소망하는 분산각이 성취되는 한편 2차 미러에 의한 차폐(obscuration)를 회피하도록, 제한된 범위 내에서 조절될 수 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 비콘 빔(122)은 1차 빔(110B)의 직경(또는 1차 빔의 단면의 특성 거리)보다 더 큰 직경(또는 비콘 빔(122)의 단면의 특성 거리)을 가질 수 있다. 렌즈(120)가 실질적으로 투명한 판(clear plate)(예컨대, 광학 유리 판 또는 중합체 판)을 포함하기 때문에, 광(110)이 렌즈(120)를 통과할 때 손실되는 광(110)의 양이 감소될 수 있다. 예컨대, 광(110)의 경로 내에서 굴절 요소들을 위치시키기 위해서 기계적 마운트들, 이를 테면 불투명 브래킷들 또는 링들을 사용하는 레이저 통신 단말기들은 광(110)의 10퍼센트(10%) 이상을 차단할 수 있다. 이는, 레이저 통신 단말기에 의해 전송되는 1차 빔의 데이터 통신 속도(rate) 및 세기를 감소시킬 수 있으며, 이는 레이저 통신 단말기의 전송 출력(transmission power)의 양을 증가시킴으로써 보상될 수 있다. 대부분의 경우들에서, 이러한 형식의 손실들을 수용하기 위해서 레이저 통신 단말기 전송 출력에서의 보상 증가는 선택사항(option)이 아닐 수 있으며, 따라서 성취가능한 데이터 속도 및/또는 통신 범위를 위태롭게 한다(jeopardizing). 이에 반해, 렌즈(120)는 주면(major face)들 상에 고효율 반사 방지 코팅을 포함하며, 따라서 실질적으로 모든 광(110)이 렌즈(120)를 통과할 수 있게 하는 실질적으로 투명한 판(예컨대, 투명한 유리 또는 중합체 판)이다. 따라서, 렌즈(120)는, 기계식으로 장착되는 굴절 요소들 또는 렌즈들을 사용하는 레이저 통신 단말기들과 비교되는 경우, 소망하는 세기로 1차 빔(110B)을 전송하고 및/또는 소망하는 데이터 통신 속도를 성취할 수 있도록, 레이저 통신 단말기(100)를 위해 요구되는 전송 출력량을 감소시킬 수 있다.
도 2를 참조하면, 도 1의 렌즈(120)의 예시적 실시예가 도시된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 렌즈(120)는 제 1 굴절 요소(210A) 및 제 2 굴절 요소(210B)(총칭하여, 2 개 또는 그 초과의 굴절 요소들(210)로서 지칭됨)를 포함한다. 실시예에서, 2 개 또는 그 초과의 굴절 요소들(210)은 직경(260)을 갖는 실질적으로 원형 형상을 가질 수 있다. 실시예에서, 직경(260)은 대략 3.6 밀리미터이다. 특별한 실시예에서, 2 개 또는 그 초과의 굴절 요소들(210)은 렌즈(120)의 제 1 표면의 오목 부분들에 대응할 수 있다. 다른 특별한 실시예에서, 2 개 또는 그 초과의 굴절 요소들(210)은 렌즈(120)의 제 1 표면의 볼록 부분들에 대응할 수 있다. 다른 특별한 실시예에서, 2 개 또는 그 초과의 굴절 요소들(210)은 렌즈(120)의 제 1 표면의 베벨식(beveled) 부분들에 대응할 수 있다. 다른 특별한 실시예에서, 2 개 또는 그 초과의 굴절 요소들(210)은 렌즈(120)의 나머지 부분과 상이한 굴절률(refractive index)을 갖는 렌즈(120)의 부분들에 대응할 수 있다. 예컨대, 렌즈(120)는 제 1 굴절률을 갖는 광학 유리판일 수 있으며, 2 개 또는 그 초과의 굴절 요소들(210)을 형성하는 렌즈(120)의 부분들은 제 1 굴절률과 상이한 제 2 굴절률을 가질 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 중심(230)으로부터, 제 1 굴절 요소(210A)는 제 1 거리(240)로 렌즈의 제 1 표면의 직경(220)을 따라 위치될 수 있으며, 제 2 굴절 요소(210B)는 제 2 거리(250)로 직경(220)을 따라 위치될 수 있다. 실시예에서, 제 1 거리(240) 및 제 2 거리(250)는 동일할 수 있다. 예컨대, 제 1 거리(240) 및 제 2 거리(250)는 중심(230)으로부터 대략 5.24 밀리미터일 수 있다. 따라서, 2 개 또는 그 초과의 굴절 요소들(210)의 각각의 중심은 중심(230)으로부터 대략 5.24 밀리미터에 위치될 수 있다. 실시예에서, 직경(220)은 광(110)의 빔의 직경(270)보다 더 크다. 예컨대, 광(110)의 빔의 직경(270)이 2/3 인치인 경우, 렌즈(120)의 직경(220)은 대략 25 밀리미터일 수 있다. 실시예에서, 제 1 거리(240) 및 제 2 거리(250)는, 동일하거나 대략 동일하며, 제 1 굴절 요소(210A) 및 제 2 굴절 요소(210B)는 렌즈(120)의 제 1 표면의 중심(230)으로부터 등거리 또는 대략 등거리로 위치된다.
다른 실시예에서, 제 1 굴절 요소(210A) 및 제 2 굴절 요소(210B)는 렌즈(120)의 중심(230)으로부터 등거리로 위치되지 않을 수 있다. 예컨대, 제 1 거리(240)가 제 2 거리(250)보다 더 크거나 작을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 굴절 요소들(210)은 렌즈(120)의 중심(230)으로부터 등거리 또는 실질적으로 등거리로 위치될 수 있으며, 그리고 다른 굴절 요소들(도 2에 도시 생략됨)이 렌즈(120)의 제 1 표면 상에 위치될 수 있다. 다른 실시예에서, 렌즈(120)는 렌즈(120)의 중심(230)에 대해 대칭으로 위치되는 2 개 초과의 굴절 요소들을 포함할 수 있다.
예컨대, 2 개 초과의 굴절 요소들은 삼각형 패턴, 정사각형 패턴, 또는 비콘 빔의 소망하는 특성을 생성하도록 구성되는 다른 패턴으로 중심(230)에 대해 대칭으로 배열될 수 있다. 굴절 요소들이 렌즈(120)의 중심(230)에 대해 대칭으로 배열되는 경우, 비콘 빔(122)은 도 5를 참조하여 설명하는 바와 같이, 실질적으로 대칭의 세기 프로파일(intensity profile)을 가질 것이며, 여기서 레이저 통신 단말기는 가우시안 프로파일을 갖는 레이저 빔을 전도하거나 전달한다. 렌즈(120)에 포함된 굴절 요소들의 수가 증가함에 따라, 더 많은 광(110)이 방향 전환될 수 있어, 1차(primary) 빔의 세기를 감소시킬 수 있는 더 강한 비콘 빔을 만든다.
도 3을 참조하면, 도 1 및 도 2의 렌즈(120)의 프로파일 뷰가 도시된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 렌즈(120)는 제 1 표면(302) 및 제 2 표면(304)을 갖는다. 렌즈(120)의 제 1 표면(302) 및 제 2 표면(304)은 두께(306)만큼 분리될 수 있다. 특별한 실시예에서, 렌즈(120)의 두께(306)는 대략 2.0 밀리미터일 수 있다.
렌즈(120)는 도 2의 제 1 굴절 요소(210A) 및 제 2 굴절 요소(210B)를 포함한다. 도 2를 참조하여 설명되는 바와 같이, 제 1 굴절 요소(210A)는 중심(230)에 대해 제 1 거리(240)로 제 1 표면(302) 상에 위치될 수 있으며, 제 2 굴절 요소(210B)는 중심(230)에 대해 제 2 거리(250)로 위치될 수 있다. 실시예에서, 제 1 표면(302)은 제 1 영역(제 1 굴절 요소(210A)에 대응) 및 제 2 영역(제 2 굴절 요소(210B)에 대응)을 제외하고 실질적으로 평탄한 표면이다. 실시예에서, 제 2 표면은 실질적으로 평탄한 표면이다. 실시예에서, 굴절 요소들(210)은 제 2 표면(304) 상에 위치될 수 있다. 이 실시예에서, 제 1 표면(302)은 실질적으로 평탄한 표면일 수 있으며, 제 2 표면(304)은 제 1 영역(제 1 굴절 요소(210A)에 대응) 및 제 2 영역(제 2 굴절 요소(210B)에 대응)을 제외하고 실질적으로 평탄한 표면일 수 있다. 다른 실시예에서, 굴절 요소들은 렌즈(120)의 제 1 표면(302) 및 제 2 표면(304) 양자 모두에 위치될 수 있다.
실시예에서, 제 1 굴절 요소(210A) 및 제 2 굴절 요소(210B)는 렌즈(120)의 제 1 표면(302)에 대해 오목한 형상을 가질 수 있다. 굴절 요소들(210) 각각의 오목한 형상은, 렌즈(120)의 두께(306) 내로 깊이(320)를 연장할 수 있으며, 직경(예컨대, 도 2의 직경(260)) 및 곡률 반경(310)을 가질 수 있다. 실시예에서, 직경(260)은 대략 3.6 밀리미터일 수 있고, 곡률 반경(310)은 대략 51.68 밀리미터일 수 있으며, 깊이(310)는 대략 0.03 밀리미터일 수 있다. 대안의 실시예에서, 제 1 굴절 요소(210A) 및 제 2 굴절 요소(210B)는 렌즈(120)의 제 1 표면(302)에 대해 볼록한 형상을 가질 수 있다. 굴절 요소들(210)이 볼록한 형상을 갖는 경우, 굴절 요소들(210)은 렌즈(120)의 표면(302)으로부터 멀리 연장할 수 있다. 다른 특별한 실시예에서, 렌즈(120)는 렌즈(120)의 하나 또는 그 초과의 표면들에 대해 오목한 형상을 갖는 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들, 및 렌즈(120)의 하나 또는 그 초과의 표면들에 대해 볼록한 형상을 갖는 하나 또는 그 초과의 추가의 굴절 요소들을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 렌즈(120)는 렌즈(120)의 두께(306) 내에 전체적으로 배치되는 굴절 요소들을 포함할 수 있으며, 제 1 표면(302) 및 제 2 표면(304)은 실질적으로 평탄한 표면들일 수 있다.
렌즈(120)의 제 1 표면(302)(굴절 요소들(210)을 포함) 및 제 2 표면(304)에는 반사 방지 코팅이 코팅될 수 있다. 실시예에서, 반사 방지 코팅은, 1530 내지 1560 나노미터(nm) 사이의 파장들에서 굴절 요소들(210)을 포함하는 표면(예컨대, 제 1 표면(302) 또는 제 2 표면(304)) 당 1 % 미만의 반사율(reflectance)을 제공하는 "V 형상" 반사 방지 프로파일을 갖는 반사 방지 코팅을 포함할 수 있다. 특별한 실시예에서, 렌즈(120)의 제 1 표면(302) 및 제 2 표면(304)은 고도로 폴리싱될(polished) 수 있다. 예컨대, 렌즈(120)는 20/10의 스크래치 디그(scratch-dig) 레벨의 품질과 동등하게 폴리싱될 수 있다. 실시예에서, 렌즈(120)의 에지들은 폴리싱되지 않을 수 있고 400 메쉬와 동등하게 미세 연마(fine ground)될 수 있다. 실시예에서, 렌즈(120)는 표면들(302, 304)을 통과시 633 나노미터들의 파장의 1/4 미만(0.25 미만)(예컨대, 피크 대 밸리)의 투과 파면 오차(transmitted wavefront error)를 가질 수 있다.
도 4를 참조하면, 레이저 통신 시스템(400)의 예시적 실시예가 도시된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 레이저 통신 시스템(400)은 제 1 레이저 통신 단말기(402) 및 제 2 레이저 통신 단말기(404)를 포함한다. 제 1 레이저 통신 단말기(402)는 1차 빔(410) 및 2차 빔(412)(예컨대, 비콘 빔)을 생성하도록 구성될 수 있다. 특별한 실시예에서, 제 1 레이저 통신 단말기(402)는 도 1의 레이저 통신 단말기(100)일 수 있다. 이 실시예에서, 1차 빔(410)은 도 1의 1차 빔(110B)일 수 있으며, 2차 빔(412)은 도 1의 비콘 빔(122)일 수 있다.
제 2 레이저 통신 단말기(404)는 1차 빔(410)의 검출을 용이하게 하도록 구성된 광학 요소(406)를 포함할 수 있다. 예컨대, 제 2 레이저 통신 단말기(404)는 먼저 2차 빔(412)을 검출함으로써 1차 빔(410)을 검출할 수 있다. 제 2 레이저 통신 단말기(404)가 2차 빔(412)을 검출하였다면, 이후 제 2 레이저 통신 단말기(404)는 광학 요소(406)를 1차 빔(410)에 정렬할 수 있고, 제 1 레이저 통신 단말기(402)로부터 1차 빔(410)을 통해 데이터 수신을 시작할 수 있다.
도 5를 참조하면, 1차 빔 및 2차 빔(예컨대, 비콘 빔)과 연관된 원거리 광 세기 분포의 예시적 예들이 스폿 다이어그램들(502, 510)에 의해 도시되며, 여기서 원거리 광학 세기는 스폿 밀도(spot density) 및 칼라 코딩(color coding) 양자 모두에 의해 나타낸다. 1차 빔(예컨대, 도 1의 1차 빔(110))의 원거리 표시(far-field representation)는, 스폿 다이어그램들(502 및 510)의 중심에서 미해결 스폿에 의해 표시된다. 2차 빔(예컨대, 비콘 빔)은 스폿 다이어그램들(502 및 510)에서 크기가 큰, 초점이 흐려진 번짐(defocused blur)에 의해 나타낸다. 스폿 다이어그램들(502 및 510)은, 반경 방향 가우시안 세기 분포(radial Gaussian intensity distribution)를 갖는 시준된 광선 번들(collimated ray bundle)을, 대표적인 카세그레인 광학 시스템(representative Cassegrain optical system), 이를 테면 도 1의 레이저 통신 단말기(100) 내로 라운칭함으로써 광선 추적 프로그램(ray trace program)에 의해 생성되었다. 1차 입사 빔(예컨대, 도 1의 1차 빔(110))은, 빔이 카세그레인 광학 시스템으로 진입함에 따라 불균일한 반경 방향(예컨대, 가우시안) 세기 분포를 나타내는 것으로 가정된다. 1차 입사 빔은, 빔이 광학 시스템 도처에 전파됨에 따라 그의 불균일한 반경 방향 세기 분포를 유지한다.
도 5에서, 스폿 다이어그램(502)은 렌즈의 제 1 표면의 중심에 대해 중심을 벗어나(off-center) 위치되는 단일 굴절 요소를 포함하는 렌즈를 사용하여 발생된다. 또한, 굴절 요소는 불균일한 1차 빔에 대해 중심을 벗어나 있을 수 있다. 단일 비축(off-axis) 굴절 요소가 도 1에서 "122A"로서 윤곽이 그려진 분기하는(diverging)(원뿔형) 2차 빔을 발생시킬 것이다. 단일 굴절 요소의 비축 배치의 결과로서, 원거리의 2차 빔 프로파일은, 비대칭 세기 분포를 나타낼 것이며, 이 분포는 비축 굴절 요소에 의해 차단되었던(intercepted), 도 1의 1차 빔(110)의 비대칭 세기 분포의 각각의 부분을 복제한다. 이 결과는, 스팟 다이어그램(502)의 세그먼트들(504 및 506)에서 동일하지 않은(unequal) 스폿 밀도에 의해 입증된다.
이에 반해, 도 5에서, 스폿 다이어그램(510)은 렌즈의 제 1 표면의 중심에 대해 대칭으로 위치되는 2 개의 굴절 요소들에 의해 발생된다. 2 개의 비축 굴절 요소들은 도 1에서 "122A" 및 "122B"로서 윤곽이 그려진 별개의 분기하는 2차 빔들을 발생시킨다. 스폿 다이어그램(510)의 세그먼트들(512 및 514)에서 동등한 스폿 밀도들에 의해 입증되는 바와 같이, 1차 굴절 요소에 의해 발생된 비대칭 원거리 반경 방향 세기 분포는, 2차 굴절 요소에 의해 발생된 반대의(inverse) 반경 방향 세기 분포를 제외하고, 동일한 양만큼 원거리에서 중첩될 수 있으며, 이에 의해 원거리에서 균일한 세기 분포를 형성한다.
도 6을 참조하면, 1차 빔 및 2차 빔(예컨대, 비콘 빔)을 생성하는 방법의 실시예의 플로우차트가 도시되며 "600"으로 표시된다. 실시예에서, 방법(600)은 도 1의 레이저 통신 단말기(100)에 의해 실행될 수 있다. 예컨대, 레이저 통신 단말기(100)는 1차 빔을 생성하기 위해서 광원(102), 1차 미러(104) 및 2차 미러(106)를 사용할 수 있으며, 그리고 2차 빔(예컨대, 도 1의 비콘 빔(122))을 생성하기 위해서 렌즈(120)를 사용할 수 있다.
방법(600)은, 광원에 의해 방사된 광을 사용하여 1차 빔을 생성하는 단계(602)를 포함한다. 1차 빔(예컨대, 도 1의 1차 빔(110B))은, 전형적인 카세그레인식(Cassegrain type) 망원경(예컨대, 도 1의 레이저 통신 단말기(100))의 1차 미러(예컨대, 도 1의 1차 미러(104)) 및 2차 미러(예컨대, 도 1의 2차 미러(106))를 사용하여 광을 반사함으로써 생성될 수 있다. 방법은, 망원경의 렌즈(예컨대, 도 1의 렌즈(120))를 사용하여 광(예컨대, 도 1의 광(110))의 부분을 사용하는 2차 빔(예컨대, 도 1의 비콘 빔(122))을 생성하는 단계(604)를 포함한다. 전형적인 반사식 광학 시스템, 이를 테면 도 1의 레이저 통신 단말기(100)에 대해, 렌즈(예컨대, 도 1의 렌즈(120))는 렌즈의 제 1 표면의 중심으로부터 대략 등거리에 위치된 2 개 또는 그 초과의 비축(off-axis) 굴절 요소들(예컨대, 도 2의 굴절 요소들(210))을 포함할 수 있다. 2차 빔은, 도 1을 참조하여 설명된 바와 같은 2 개 또는 그 초과의 굴절 요소들을 사용하여 광의 부분을 방향 전환함으로써 생성될 수 있다. 예컨대, 2차 빔의 광은, 2 개 또는 그 초과의 굴절 요소들에 의해 작은 각도 내로 방향 전환될 수 있다. 분기하는 2차 빔은, 망원경의 1차 미러 및 2차 미러 양자 모두의 각각의 비축 부분들로부터 반사하며, 따라서 1차 빔의 부분의 시준(즉, 초점)의 정도에 있어서의 변화를 일으키지만, 망원경의 2차 미러에 의한 2차 빔의 차폐(obscuration)들을 회피한다. 1차 빔의 초점이 흐려진 2차 빔 부분은, 비콘 빔(예컨대, 도 1의 비콘 빔(122))으로서 사용될 수 있다.
따라서, 방법(600)을 실행하도록 작동가능한 망원경은 1차 미러 및 2차 미러를 사용하여 광원으로부터 광을 반사함으로써 1차 빔을 생성하고, 그리고 렌즈, 이를 테면 도 1 내지 도 3의 렌즈(120)를 사용하여 2차 빔을 생성하도록 구성된다. 방법(600)을 실행하는 경우의 망원경은, 2차 빔이 렌즈를 사용하여 생성되는 경우 1차 빔을 생성하도록 감소된 양의 전송 출력을 사용할 수 있는데, 이는 렌즈가 2차 빔을 생성하도록 광의 부분을 방향 전환하는 동안 나머지 광이 1차 빔을 생성하는데 사용되는 것을 허용하기 때문이다.
본원에 설명된 실시예들의 예시들은, 다양한 실시예들의 구조의 일반적인 이해를 제공하도록 의도된다. 예시들은, 본원에 설명된 구조들 또는 방법들을 활용하는 장치 및 시스템들의 요소들 및 특징들 모두의 완벽한 설명으로서 사용되도록 의도되지는 않는다. 당업자가 개시를 리뷰하자마자 다른 많은 실시예들이 명확해질 수 있다. 예컨대, 본원에서 다수의 실시예들은 카세그레인 구성(예컨대, 1차 미러 및 2차 미러)을 갖는 반사식 광학 망원경 내에 병합되는 것으로 렌즈(120)를 설명한다. 그러나, 도 1 및 도 2의 렌즈(120)는, 상이한 구성들(예컨대, 중심 차단물을 포함하지 않는 굴절식 망원경)을 갖는 다른 레이저 통신 단말기들과 함께 사용될 수 있다. 다른 실시예들이 개시로부터 활용되며 도출될 수 있어, 구조적 및 논리적 대체예들 및 변경예들이 개시의 범주로부터 벗어나지 않고 만들어질 수 있다. 예컨대, 방법 단계들은 예시들에서 제시된 것과 상이한 순서로 실행될 수 있거나, 또는 하나 또는 그 초과의 방법 단계들이 생략될 수 있다. 이에 따라, 개시 및 도면들은 제한적이라기 보다는 예시적인 것으로 간주되어야 한다.
게다가, 특정 실시예들이 본원에서 예시되고 설명되어 있지만, 동일하고 또는 유사한 결과들을 얻기 위해서 설계되는 임의의 후속 어레인지먼트가 제시된 특정 실시예들 대신에 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 이 개시는, 다양한 실시예들의 임의의 그리고 모든 후속 적응예들 또는 변경예들을 커버하도록 의도된다. 상기 실시예들, 및 본원에서 구체적으로 설명되지 않은 다른 실시예들의 조합들은, 당업자가 설명을 리뷰하자마자 명확해질 것이다.
전술된 상세한 설명에서, 다양한 특징들이 개시를 간소화하려는 목적으로 단일 실시예에서 설명되거나 함께 그룹화될 수 있다. 본 개시는, 청구된 실시예들이 각각의 청구항에서 명백히 인용된 것보다 더 많은 특징들을 요구한다는 의도를 반영하는 것으로 해석되지는 않는다. 오히려, 하기의 청구항들이 반영하는 바와 같이, 청구된 요지는 개시된 실시예들 중 임의의 실시예의 특징들의 전부 보다는 적게 관련될 수 있다.

Claims (20)

  1. 광통신 장치로서,
    1차 미러(primary mirror);
    2차 미러(secondary mirror); 및
    실질적으로 평탄한 부분에 둘러싸인 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들을 포함하는 광학 소자;를 포함하며,
    상기 1차 미러 및 2차 미러는 광원으로부터 방사된 광을 사용하여 1차 빔을 생성하도록 구성되며,
    광통신 장치는 상기 1차 빔을 통해 제2 장치와 데이터를 통신하고, 상기 1차 미러가 상기 광학 소자와 상기 2차 미러 사이에 배치되고,
    상기 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들은 상기 광원으로부터 방사된 광의 일부를 사용하여 비콘 빔(beacon beam)을 생성하도록 구성되고,
    상기 비콘 빔은 상기 1차 미러 및 상기 2차 미러의 양쪽 모두에 의해 반사되어서 제2 장치에 의한 1차 빔의 위치 특정을 용이하게 하는,
    광통신 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들은 2 개의 굴절 요소(refraction element)들을 포함하며, 상기 2 개의 굴절 요소들은 상기 광학 소자의 제 1 표면 상에 위치되며, 상기 2 개의 굴절 요소들 각각은 상기 광학 소자의 제 1 표면에 대해 오목한 형상을 갖는,
    광통신 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 2 개의 굴절 요소들 각각의 오목한 형상은 상기 광학 소자의 두께 내로 연장하는,
    광통신 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들은 2 개의 굴절 요소들을 포함하며, 상기 2 개의 굴절 요소들은 상기 광학 소자의 제 1 표면 상에 위치되며, 상기 2 개의 굴절 요소들 각각은 상기 광학 소자의 제 1 표면에 대해 볼록한 형상을 갖는,
    광통신 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 2 개의 굴절 요소들 각각의 볼록한 형상은 상기 광학 소자의 제 1 표면으로부터 멀리 연장하는,
    광통신 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 1차 빔은 제 1 직경을 가지며, 상기 비콘 빔은 원거리(far field)에서 제 1 직경보다 더 큰 제 2 직경을 갖는,
    광통신 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 광원은 레이저를 포함하는,
    광통신 장치.
  8. 제1 장치에서 1차 빔을 통해 제1 장치로부터 제2 장치로 데이터를 통신시키는 1차 빔, 및 상기 제2 장치에 의한 상기 1차 빔의 위치 특정을 용이하게 하는 2차 빔을 생성시키는 광통신 방법으로서,
    광원에 의해 방사된 광을 사용하여 망원경의 1차 미러 및 2차 미러에 의해 상기 1차 빔을 생성하는 단계; 및
    상기 망원경의 광학 소자를 사용하여 상기 광의 일부분을 사용하는 상기 2차 빔을 생성하는 단계;를 포함하며,
    상기 광학 소자는 실질적으로 평탄한 부분에 의해 둘러싸인 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들을 포함하고, 상기 1차 미러는 상기 광학 소자와 상기 2차 미러 사이에 위치되고, 상기 2차 빔은 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들을 사용하여 상기 광의 부분을 방향 전환함(diverting)으로써 생성되고, 상기 2차 빔은 상기 1차 미러 및 2차 미러 모두에 의해 반사되는,
    광통신 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 광학 소자에는 반사 방지 코팅이 코팅되는,
    광통신 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들 중 제 1 굴절 요소는 상기 광학 소자의 제 1 표면 상에 위치되며, 상기 하나 또는 그 초과의 굴절 요소들 중 제 2 굴절 요소는 상기 광학 소자의 제 2 표면 상에 위치되는,
    광통신 방법.
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