Near-Earth Laser Communications, Second Edition

Cover......Page 1
Half Title......Page 2
Series Page......Page 3
Title Page......Page 4
Copyright Page......Page 5
Contents......Page 6
Preface......Page 8
Contributors......Page 10
Editor Biography......Page 12
 Contents......Page 14
  1.1. Introduction......Page 15
   1.1.1. Why Laser Communications?......Page 16
   1.1.3. Laser Communications Maturity......Page 17
   1.1.4. Use Cases......Page 19
   1.2.1. Design Drivers......Page 20
   1.2.2. Spatial Acquisition, Tracking, and Laser Beam Pointing and Stabilization......Page 21
   1.2.3. Robust Flight Optomechanical Assembly (OMA)......Page 24
   1.2.4. Ground Telescope......Page 26
   1.2.5. Optomechanical Assembly for Ground Transceiver......Page 27
   1.2.6. Signal Reception......Page 29
   1.2.8. Flight Laser Transmitter......Page 31
  1.3. Atmospheric Channel......Page 33
   1.3.3. Atmospheric Turbulence/Scintillation......Page 34
   1.3.5. Aperture Averaging Effects......Page 35
   1.3.6. Downlink Adaptive Optics......Page 36
   1.3.7. Encoding, Decoding, and Protocols......Page 37
   1.3.9. Uplink Adaptive Optics......Page 38
   1.4.3. Improved Navigation and Ranging......Page 40
  1.5. Technology Validations......Page 41
    1.5.1.1. Lasercom Demonstrations from LEO, GEO, and the Moon......Page 42
   1.6.2. Component Technologies......Page 44
  1.8. Conclusion......Page 45
  References......Page 46
  2.1. Introduction......Page 54
   2.1.1. Reliability......Page 55
   2.1.3. Requirements......Page 56
    2.1.3.2. Ground Receiver......Page 57
   2.2.1. Example of Power Spectral Density......Page 58
   2.2.2. Pointing Error Structure......Page 59
   2.2.3. Residual Tracking Error......Page 61
   2.2.5. Received Power and Average BER in the Presence of Jitter......Page 62
   2.3.2. Link Equation for Optical Communication Channel......Page 64
   2.3.3. Link Equation for Optical Tracking Channel......Page 66
   2.3.4. Example of a Space-to-Space Optimum Link Design......Page 67
   2.3.5. Optimum Ratio of w0/σ Versus Average BER......Page 68
   2.4.1. Average BER......Page 71
   2.4.2. Link Equation for Optical Communication Channel......Page 73
   2.4.3. Link Equation for Optical Tracking Channel......Page 74
   2.4.4. Multibeam Gain......Page 75
   2.4.6. Example of a Ground-to-Space Optimum Link Design......Page 78
  References......Page 81
  3.1. Introduction and Chapter Overview......Page 84
  3.2. System Description and PAT Overview......Page 85
  3.3. General PAT Requirements......Page 90
  3.4. PAT Concept Development......Page 93
  3.5. PAT Hardware Development and Integration......Page 105
  3.6. PAT Performance Attributes......Page 109
  3.7. Summary......Page 113
  Acronyms......Page 114
  References......Page 115
 Contents......Page 118
   4.1.1. Introduction......Page 119
   4.1.2. Coherent Transmission and Coherent Transmitters......Page 122
   4.1.4. Architecture......Page 127
   4.1.5. Modulation Formats......Page 129
   4.1.6. Laser-Diode-Based Sources......Page 130
    4.1.7.2. External-Cavity Laser Diode Oscillators......Page 131
   4.1.8. Solid State Lasers......Page 132
   4.1.9. Linear Lasers......Page 137
    4.1.10.1. Monolithic Nonplanar Ring Laser......Page 138
   4.1.11. Microchip Laser......Page 141
   4.1.12. Laser Efficiency......Page 145
   4.1.13. Modulators......Page 146
    4.1.13.1. Integrated Optical Modulators......Page 147
   4.1.14. Optical Power Amplifiers......Page 150
    4.1.14.1. Solid-State Optical Bulk Amplifier......Page 151
    4.1.14.2. Optical Fiber Amplifiers......Page 152
    4.1.14.3. Amplifier Pump Modules......Page 155
    4.1.14.8. Transmit Hybrid (TXM)......Page 157
    4.1.14.9. Optical Amplifier Summary......Page 158
   4.1.15. Transmitter Control Electronics......Page 159
   4.2.1. Introduction......Page 160
   4.2.2. Laser Transmitter Options......Page 161
    4.2.2.1. Semiconductor Laser Diode Transmitters......Page 162
    4.2.2.2. Fiber Amplifier Transmitters......Page 163
    4.2.2.3. SOA Transmitters......Page 167
    4.2.2.4. Raman Amplifier Transmitters......Page 168
   4.2.3. Amplified Spontaneous Emission......Page 169
  4.3. Summary......Page 170
  References......Page 173
  5.1. Introduction......Page 178
  5.2. Generic Requirements......Page 180
   5.3.1. Telescope Selection......Page 181
   5.4.1. Background Light Rejection/Filtering......Page 184
   5.4.2. Transmit/Receive Isolation......Page 186
  5.6. Alignment Tolerances......Page 188
  5.7. Optical System Stability Assessment and Mitigation......Page 189
  5.8. Telescope Materials......Page 190
  5.9. Mechanical Actuation......Page 191
   5.9.2. Coarse-Pointing Mechanisms......Page 192
   5.9.3. Beam Divergence/Focus Control Mechanisms......Page 193
  5.11. Mechanical Packaging......Page 194
  5.12. Active and Passive Mechanical Isolation......Page 195
  References......Page 196
 Contents......Page 200
  6.1. Introduction......Page 201
  6.2. Modulation......Page 202
   6.2.2. Pulse-Position Modulation......Page 203
   6.3.1. Poisson......Page 204
   6.3.2. Gaussian......Page 205
    6.3.3.1. Binary Asymmetric Channel......Page 206
    6.3.3.2. Poisson PPM Channel......Page 207
  6.4. Optical Channel Capacity......Page 208
   6.4.2. Gaussian BPSK Channel......Page 209
   6.4.3. Hard-Decision Poisson PPM Channel......Page 210
   6.4.4. Soft-Decision Poisson PPM Channel......Page 211
    6.4.4.1. Hard vs. Soft Decision......Page 212
   6.5.1. Signal Power vs. Data Rate for Fixed Noise Power......Page 213
   6.5.2. Small ns Behavior—Signal and Noise Power Trade-offs......Page 214
   6.5.4. The Impact of Dead Time......Page 215
   6.5.5. Suboptimality of PPM......Page 216
  6.6. Fading......Page 218
   6.6.1. Coherence Time......Page 220
   6.6.3. Mitigating Fading Losses......Page 221
    6.6.3.2. Channel Interleaving......Page 222
  6.7. Jitter......Page 224
   6.7.1. Capacity......Page 225
   6.7.2. Channel Likelihoods......Page 227
   6.7.3. Results......Page 228
  6.8. Error-Correction Codes......Page 230
   6.8.1. Reed-Solomon Codes......Page 231
   6.8.3. Comparisons......Page 233
  References......Page 235
 Contents......Page 238
  7.1. Requirements and Challenges......Page 239
   7.2.1. Square-Law Photodetection......Page 243
   7.2.3. Thermal and Shot Noise......Page 244
   7.2.4. Beat Noise......Page 247
    7.2.5.1. Determination of Background Power......Page 250
   7.3.1. Photodiodes......Page 254
   7.3.2. Trans-Impedance Amplifiers......Page 258
   7.3.4. Avalanche Photodiodes......Page 259
   7.3.5. Photon-Counting Detectors......Page 263
   7.3.6. Optical Filters......Page 264
   7.3.7. Optical Preamplifiers......Page 265
   7.3.8. Local Laser Oscillators......Page 267
   7.3.9. Delay Interferometers......Page 268
  7.4. Optical Receivers: Structures, Performance, and Optimization......Page 269
   7.4.1. Optical Receiver Performance Measures......Page 270
   7.4.2. Direct-Detection Receiver......Page 273
   7.4.4. Analog Coherent Receivers......Page 275
   7.4.5. Digital coherent receivers......Page 281
   7.4.6. Optically Pre-Amplified Receiver......Page 282
   7.4.7. The Role of Modulation Formats......Page 284
   7.4.8. Coherent vs. Optically Pre-Amplified Direct Detection......Page 285
   7.4.9. Multi-Aperture and Multimode Receivers......Page 287
  7.5. Receiver Architectures In (or Close to) Operation......Page 288
  7.6. Summary and Outlook......Page 289
  References......Page 290
   8.1.1. Statistical Description of Atmospheric Turbulence......Page 298
   8.1.2. Modeling of the Refractive Index Structure Parameter......Page 301
   8.1.3. Propagation in Turbulent Atmosphere......Page 305
   8.1.4. Scintillation Index......Page 306
   8.1.5. Scintillation Statistics......Page 307
   8.1.6. Aperture Averaging Factor......Page 309
   8.1.7. Modeling of Scintillations in Strong Turbulence......Page 311
   8.1.8. Phase Statistics......Page 313
   8.1.9. Beam Effects......Page 319
   8.2.1. Absorption and Scattering......Page 322
   8.2.2. Background Radiation and Sky Radiance......Page 330
  8.3. Conclusions......Page 333
  References......Page 334
 Contents......Page 336
  9.1. Introduction......Page 337
    9.2.2.1. Telescope vs. Link Budget......Page 338
    9.2.2.2. Mitigation of Atmospheric Turbulence Effects with the Telescope......Page 339
   9.2.3. OGS Instrumentation......Page 340
    9.2.3.1. Focal Plane Optics......Page 341
    9.2.3.2. Focal Plane Control......Page 342
  9.3. OGS Design Example......Page 343
   9.3.1. Building and Telescope......Page 344
   9.3.2. FPO Main Characteristics......Page 345
   9.3.3. FPC Design......Page 347
    9.3.3.1. PAT Overview......Page 348
    9.3.3.2. PAT Performance......Page 351
    9.3.3.3. Optical Verification System......Page 353
    9.3.3.4. Transmit Laser System Overview......Page 354
    9.3.3.5. Transmitter Configuration......Page 355
    9.3.3.6. MCC Overview......Page 358
  9.4. Performance Prediction Model for Laser Beam Propagation Through Atmospheric Turbulence......Page 359
   9.4.1. Downlink Dynamic Model......Page 360
    9.4.1.1. Single-Beam Uplink Model......Page 362
    9.4.1.2. Multiple Beam Uplink Model......Page 366
  9.5. Experimental Methodology......Page 367
   9.5.1. Turbulence Profiles Measurements......Page 369
  9.6. Experimental Results......Page 370
   9.6.1. Downlink Statistical Results......Page 371
   9.6.2. Downlink Communication Experiments Results......Page 373
   9.6.3. Uplink Statistical Results......Page 374
    9.6.3.1. Comparative Analysis of Uplink Results with Theoretical Predictions (Wave Optics)......Page 379
  9.7. Conclusions......Page 382
  Acronyms......Page 383
  References......Page 384
 Contents......Page 386
  10.1. Introduction......Page 387
  10.2. Qualifications Tests......Page 388
    10.2.1.1. MIL Standards......Page 389
   10.2.2. Test and Characterization Methodology......Page 390
    10.2.2.3. Thermal Vacuum Stability and Outgassing......Page 391
    10.2.2.7. Metal Migration and Whisker Growth......Page 392
   10.2.3. Qualification of Custom Off-the-Shelf (COTS) Components......Page 393
    10.2.3.3. Risk-Reduction Methodology......Page 394
   10.3.1. Qualification of Semiconductor and Fiber Lasers/Amplifiers......Page 395
   10.3.3. Qualification of Passive Optics......Page 397
  10.5. Radiation Effects......Page 398
   10.5.1. Radiation Environments......Page 399
   10.5.3. Radiation-Induced Effects in Semiconductor Lasers......Page 402
   10.5.4. Radiation-Induced Effects in Photodetectors and Detector Arrays......Page 403
   10.5.6. Optical Modulators......Page 404
   10.5.7. Coherent Digital Signal Processing ASICs and FPGAs......Page 405
  10.7. Qualification Example......Page 406
  10.8. Summary......Page 408
  References......Page 409
  11.1. Preface to the New Edition......Page 414
  11.2. Introduction......Page 415
  11.3. Orbital Geometry and Network Physical Topology of Satellite Constellations......Page 418
   11.4.1. Single-Hop Optical Networking......Page 423
   11.4.2. Multi-Hop Optical Networking......Page 424
   11.4.3. Traffic Routing and Lightpath/ISL Dimensioning......Page 426
   11.5.1. The ISL Terminal......Page 428
   11.5.2. The Lightpath Router......Page 429
   11.5.3. Wavelength Band and Communication Scheme......Page 430
   11.5.6. The Switch......Page 431
   11.5.7. Crosstalk and Noise......Page 433
  11.6. OTN Power Considerations......Page 434
  11.7. OTN Management......Page 435
  11.9. Summary......Page 437
  References......Page 438
  12.2. Inter-Satellite Links......Page 442
  12.3. US, European, and ASIAN Lasercom Efforts......Page 443
  12.5. Technology Advancement Opportunities......Page 444
  References......Page 446
Index......Page 448