일본산업뉴스요약

Nikkei X-TECH_2024.5.1

월면 경제권
워프스페이스, 달-지구간 광통신용 고감도 센서 개발
1Gbps를 목표

민간에 의한 광위성 통신중계서비스 등의 실현을 목표로 하는 스타트업 기업 워프스페이스(Warpspace, 이바라키현)는 2024년 4월 24일, 우주항공연구개발기구(JAXA)로부터 수탁한, 달-지구간 장거리 광통신을 위한 고감도 센서의 개발을 완료했다고 발표했다.

앞으로 달의 수자원 탐사가 본격화되는 가운데, 요구가 높아질 것으로 예상되는 것이 달-지구간 통신속도의 향상이다. 그래서 현재의 전파와 비교해 월등한 고속화가 가능할 것으로 기대를 받고 있는 것이 광통신이다.

달-지구 사이를 광통신으로 잇는 수단은 몇 가지가 있지만, 지구의 정지궤도(GEO)나 중궤도(MEO)에 배치한 위성과, 달의 주회 궤도에 배치한 중계 위성 사이에 광통신을 실시하고, 거기서부터 달의 기지나 우주기 등과 광통신을 하는 것이 주류가 될 것으로 보인다. 다만 광통신은 적외선 레이저를 사용하기 때문에 지구 대기나 구름의 영향을 크게 받는다. 그래서 지구상과 궤도상의 위성과의 사이는 광대역 전파를 이용하거나 혹은 맑은 날씨 등에 한해 광통신으로 연결한다.

이 달-지구간 통신의 실현에 필수인 것이 위성포착추적용 고감도 센서이다. 광위성 통신에서는 우선, 접속을 하는 전단계로서 쌍방의 위성을 광학 스캔으로 포착할 필요가 있다. 구체적으로는, 통신 상대의 레이저광을 수신하고, 그 방향으로 레이저광을 되돌려 보내 링크를 확립한다. 레이저광은 전파와 비교해 빔의 확산이 대폭으로 작기 때문에 일반적으로 광위성 통신에서는 4자리수만큼 높은 수준의 지향 제어 정확도가 요구된다.

지구에서 달까지의 거리는 멀다. 지구의 주회 궤도라면 정지 궤도라 하더라도 그 거리는 약 3만 6000㎞인데 반해, 달과 지구 근방에서는 그 10배인 약 36만㎞의 거리가 있다. 이 장거리에서의 포착 추적의 난이도는, 예를 들면 “도쿄역으로부터 직선거리 약 100km의 후지산 정상에 있는 농구공에 레이저 포인터를 쏘는 정확도와 동일하다”(워프스페이스).

이만큼 거리가 멀어지면, 광위성 통신 단말이 수신할 수 있는 광자 수가 감소하고, 전기로 변환한 후의 신호가 미약해져 노이즈와의 구별이 어렵게 된다. 미약한 광신호를 감지할 수 있는 고감도 센서가 필요하게 된다. 워프스페이스는 이번에 고감도 센서를 개발 완료한 것에 대해 “달-지구간 광통신의 실현을 위해 가장 먼저 달성해야 할 가장 중요한 마일스톤 중 하나다”라고 규정했다.

-- 기존 대비 감도를 10배로 --
통상의 광위성 통신에서는 포착 추적용 센서로서 포토다이오드가 사용된다. 그러나 달-지구 간에 적용하기에는 감도가 부족하기 때문에 사용할 수 없다. 그래서 워프스페이스는 광학업체인 하마마쓰 포토닉스와 공동으로, InGaAs(인듐-갈륨-비소)계 애벌런치 포토다이오드(Avalanche-Photodiode, APD)를 베이스로 한 센서를 개발했다.

APD는 '아발란체 효과(Avalanche Effect)'를 이용한 광전자 증배 작용을 갖고 있기 때문에 수광 감도가 높다. 기존에 APD를 포착 추적용 센서로서 사용한 사례는 없었지만 그것을 추적용으로 커스터마이즈했다.

참고로 아발란체 효과란, 강전계(Strong Electric Field)를 갖는 반도체의 수광부에 빛이 들어가면, 광자의 충돌에 의해 발생한 전자가 전계에서 가속된다. 그 과정이 반복적으로 발생함으로써 전자가 눈사태(Avalanche)처럼 한꺼번에 늘어나는 효과를 가리킨다.

포착 추적 측에서는 상대 측의 빛이 얼마나 어긋나 있는지를 센서로 검출해 보정할 필요가 있다. “이번에는 APD 센서를 4분할하여, 어디에 빛이 닿았는가 하는 정보를 바탕으로 역산해, 빛의 위치를 센서의 중앙으로 가져오는 제어가 가능하도록 했다”(워프스페이스의 나가타(永田) CTO(최고기술책임자)). 이미 시제품 개발을 마쳤으며 기존 센서와 동등 이상의 검출 성능을 확인했다.

다만, 미약한 광신호를 검출 대상으로 하고 있는 이 센서는 노이즈가 발생하면 검출해야 할 신호와의 구별이 어려워지면서 센서의 정확도가 떨어진다. 이 노이즈는 열적 원인, 절연 불량, 결정 결함 등에 의해 빛이 닿지 않아도 흐르는 암전류에 의해 야기된다.

워프스페이스는 이 암전류를 작게 하기 위해 다음의 2개의 기술적 개선을 센서에 실시했다. 하나는 수광 소자를 섭씨 마이너스 20도까지 냉각하는 기능을 부가하는 것이고, 다른 하나는 소자 면적을 4분의 1로 소형화 하는 것이다. 후자의 소형화는 암전류가 소자의 면적에 비례하기 때문이다.

이를 통해 기존의 센서와 비교해 암전류를 약 97% 줄여, 달-지구간 광통신의 포착 추적에 필요한 수신전력을 약 90% 저감, 감도를 10배로 높이는 데 성공했다고 한다. 워프스페이스는 달-지구간 광통신의 포착 추적에 요구되는 1만분의 1도의 정확도를 달성할 수 있는 것을 시뮬레이션을 통해 확인했다고 한다.

-- 1Gbps는 전파에서는 비현실적 --
워프스페이스는 내각부가 창설한 ‘우주 개발 이용 가속화 전략 프로그램(스타더스트 프로그램)’의 ‘달표면 활동을 위한 측위/통신 기술개발’프로젝트 안에서, 이 고감도 센서를 2021년부터 개발해 왔다. 이 프로젝트는 5년계획으로, 2024년부터인 종반 2년 동안은 이 고감도 센서를 이용한 광위성 통신시스템을 개발한다.

실용화를 위해서는 지금까지의 지구 주회 궤도와의 통신의 10배 이상의 거리에 맞는 시스템의 고출력화, 즉 광증폭기의 성능 향상(대전력화) 등이 요구된다고 한다.

현시점에서는 우주 실증 계획은 정해지지 않았지만, 아래와 같은 아키텍처를 상정하고 있다. 지구 측(GEO, MEO)에 직경 30cm의 광안테나를 가진 단말을 탑재하는 위성을, 월 주회 궤도에 직경 10cm의 광안테나를 가진 단말을 탑재하는 위성을 배치한다. 달 측의 구경이 작은 이유는 달에 대한 수송 비용이 높아 단말기를 가능한 한 작게 하고 싶기 때문이다.

달 주회 궤도에 이 위성을 2대 이상 배치하면 항상 지구 측과 통신이 가능해진다. 한편, 달의 남극역에 있는 유저에 대해 항상 광통신 서비스를 제공하기 위해서는, 달 주회 궤도상에 위성이 4기 필요하게 된다. 상세한 것은 아직 미정이지만, 지구 측과 통신하는 위성을 2기로 하고, 그 이외의 위성과는 궤도상에서 광통신 네트워크를 구축할 가능성이 있다고 한다.

“통신속도는 달로부터 지구에서 1Gbps(비트/초) 이상, 지구로부터 달에서 수십 Mbps 정도를 계획하고 있다”(나가타 CTO). 달에서 고화질 영상을 실시간으로 보내기에 충분한 속도다.

달에서 이용하는 전파 주파수에 대해서는 국제적으로 조정되고 있으며, 고속통신에는 Ka 밴드(27G~40GHz)의 대역이 이용될 가능성이 높다고 한다. 다만, 나가타 CTO는 “Ka 밴드를 이용한 달에서 지구로의 통신시스템을 검토한 적이 있다.

1Gbps를 실현하려면 달 측의 통신시스템으로서 2m 소형 안테나가, 지구 측에는 20m 정도의 거대 안테나가 필요하기 때문에 전파는 비용 면에서 매우 불리하다는 결과가 나왔다”라고 말한다.

 -- 끝 --

Copyright © 2020 [Nikkei XTECH] / Nikkei Business Publications, Inc. All rights reserved.