초록 ▼

※ 연구개발 목표 및 내용
□ 최종 목표
광빗 기반 대기 중 광시간/주파수의 초정밀 장거리 전송기술 개발

□ 전체 내용
시간/주파수는 전자기파의 진동에 근거하는 물리량으로, 전자통신뿐 아니라 기초과학, 우주사업 및 정밀산업에 이르는 다양한 분야에서의 초정밀 측정이 요구되는 기본 물리량이다. 현재 시간/주파수는 마이크로파 또는 광주파수 표준에 근거한 원자시계들에 의해 생성되며, 이러한 정밀 시간/주파수의 실용적 사용을 위해 주변으로 정밀도의 손상 없이 전달할 수 있는 체계적 전송기술이 필수적으로 요구된다.

※ 연구개발 목표 및 내용
□ 최종 목표
광빗 기반 대기 중 광시간/주파수의 초정밀 장거리 전송기술 개발

□ 전체 내용
시간/주파수는 전자기파의 진동에 근거하는 물리량으로, 전자통신뿐 아니라 기초과학, 우주사업 및 정밀산업에 이르는 다양한 분야에서의 초정밀 측정이 요구되는 기본 물리량이다. 현재 시간/주파수는 마이크로파 또는 광주파수 표준에 근거한 원자시계들에 의해 생성되며, 이러한 정밀 시간/주파수의 실용적 사용을 위해 주변으로 정밀도의 손상 없이 전달할 수 있는 체계적 전송기술이 필수적으로 요구된다. 이제까지의 전송기술은 근거리 또는 광섬유 매개를 통한 제한적인 범주에 머무르고 있으나, 향후 5G 이상의 단말기 통신, 더 나아가 저궤도 인공위성을 기반으로 차세대 인터넷을 실현하기 위해서는 대기 중 강한 외란이 존재하는 수십 수백 킬로미터 이상의 장거리 시간/주파수 전송기술이 요구된다. 본 과제를 통해, 펨토초 레이저의 안정화를 통한 정밀 광빗을 구축하고, 이를 광주파수 표준자로 활용하는 장거리 시간/주파수 전송기술을 개발하고자, 대기 교란을 억제 전송할 수 있는 기본 개념을 정립하고, 실제 실험검증을 통한 시스템 기술의 가능성을 제시하고자 한다.

본 연구는 펨토초 레이저 광빗을 기반으로 대기 중 광링크를 구현하여 자유공간 초정밀 광시간/주파수 전송의 시스템기술의 가능성을 검증하고자 한다. 이는 지상 임의의 위치간 광주파수의 전송뿐 아니라, 지상-인공위성간 및 인공위성-인공위성간 초정밀/초고속 전송을 목적으로 전체적 연구내용은 아래의 세 분야로 대별된다.
○ 고안정도 광빗의 개발;
KAIST는 광섬유 기반 펨토초 레이저 공진기를 개발하고, 이를 고 예리도 광공진기에 잠금함으로써 10^-15 이하 수준의 초정밀 광빗을 개발하며, HFUT는 듀얼 솔리톤 기반의 마이크로 광공진기에 연속파 레이저를 펌핑하여, 두 개의 반복률을 가지는 초소형 광빗을 개발하고자 한다.
○ 장거리 광섬유 및 자유공간 광링크를 통한 시간/주파수의 정밀 전송기술 개발;
KAIST는 보유 중인 1.4 km와 18 km급의 장거리 자유공간 광링크를 이용하여, 대기 중 광강도, 주파수 및 위상의 변화를 실시간으로 측정/보상할 수 있는 초정밀 광링크를 구현한다. HFUT는 대기 중 광신호의 변화를 실시간으로 모니터링하기 위한 시간렌즈 및 분산 푸리에 분광기법을 개발하여 이들 기초 광신호 처리기술을 광섬유 및 자유공간 전파특성 보상에 적용한다.
○ 가간섭 광신호 전송 후 시간/주파수 특성의 고분해능 분석/평가; KAIST는 비선형 광학현상을 이용한 광상호상관신호를 통해 장거리 전송된 펄스의 시간 특성을 피코초 이하 수준으로, 광주파수 특성은 기준신호와의 헤테로다인 비트를 통해 kHz 이하 수준 정밀도로 평가한다. HFUT는 초고속 시간영역 증폭기를 통해 시간 렌즈 및 분산 푸리에 분광 기법을 통해, 펄스의 타이밍을 피코초 이하 수준에서 실시간으로 측정/평가한다.

※ 연구개발성과
○ 광시간/광주파수 전송을 위한 광섬유 기반 펨토초 레이저의 개발 및 이로부터 구축되는 광빗의 안정화를 통한 광주파수의 표준자 기술 확보.
○ 대기 중 장거리 광주파수 전송을 위한 광링크 구성을 위한 시스템 기반기술 확보와 더불어 이를 통한 시간/주파수의 정밀 전송기술 시험적 검증기술.
○ 5G 이상의 단말기 광통신, 인공위성 인터넷 구축을 위한 가간섭 광신호 전송 후 시간/주파수 특성의 고분해능 분석/평가를 위한 기초기술 확보.

※ 연구개발성과 활용계획 및 기대 효과
○ 고안정 광섬유 기반 펨토초 레이저 광빗 및 마이크로 광공진기를 이용한 광빗 안정화를 통한 광주파수 표준자 구축기술 확보. 이는 광시간/광주파수 전송 뿐 아니라, 광주파수를 이용한 다양한 분광 기술들의 정밀도를 개선하는 주파수의 측정표준의 기술로 확장되어 여러 영역의 기초과학의 발전에 기반기술로 활용 가능함.
○ 대기 중 초정밀 시간/주파수 측정, 보상 및 전송기술의 확보를 통한 차세대 광시계 GPS 및 자유공간 광통신을 위한 10 km 이상 급 지상-지상, 지상-위성, 위성-위성간 가간섭 광링크 기술로 향후 미래 광통신 기술의 기반기술로 활용 가능함.
○ 지구관측 및 우주탐사를 위한 대기 모니터링 기술의 확보, 차세대 위성군 기반 우주사업을 위한 위성간 거리의 초정밀 측정기술 확보. 이는 차세대 광통신, 보안통신, 위성 및 우주사업 등에 널리 적용될 수 있는 항공우주산업의 발전을 위한 공통 기반기술을 제공할 수 있을 것으로 기대됨.

(출처 : 요약문 2p)

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 요 약 문 ... 2
• 목차 ... 4
• 1. 연구개발과제의 개요 ... 5
• 1-1. 연구 개발의 개요 및 중요성 ... 5
• 1-2. 연구 개발 대상의 국내·외 현황 ... 7
• 1-3. 연구 개발의 목표 및 내용 ... 9
• 1-4. 연구 개발의 추진전략·방법 및 추진체계 ... 10
• 2. 연구개발과제의 수행 과정 및 수행 내용 ... 11
• 2-1. 1차년도 연구수행 과정 및 수행내용 ... 11
• 2-2. 2차년도 연구수행 과정 및 수행내용 ... 13
• 2-3. 3차년도 연구수행 과정 및 수행내용 ... 16
• 3. 연구개발과제의 수행 결과 및 목표 달성 정도 ... 19
• 1) 연구수행 결과 ... 19
• 2) 목표 달성 수준 ... 44
• 4. 목표 미달 시 원인분석 ... 44
• 1) 목표 미달 원인(사유) 자체분석 내용 ... 44
• 2) 자체 보완활동 ... 44
• 3) 연구개발 과정의 성실성 ... 44
• 5. 연구개발성과의 관련 분야에 대한 기여 정도 ... 45
• 6. 연구개발성과의 관리 및 활용 계획 ... 46
• 참고문헌 ... 48
• 끝페이지 ... 52