Optical communications from high-altitude platforms

Abstract

Um dem stetig steigenden Bandbreitenbedarf gerecht zu werden, bedarf es immer neuerer Technologien. Freistrahl-Laserkommunikation bietet die Möglichkeit hohe Datenraten mittels eines gebündelten Laserstrahls zu übertragen. Während optische Freistrahlkommunikation zwischen Satelliten bereits eingesetzt wird, werden Laserstrahlen von Bodenstationen stark durch Wolken und atmosphärische Turbulenzen beeinflusst. Um Abhilfe zu schaffen, befassen sich aktuelle Studien auf dem Gebiet der optischen Nachrichtentechnik mit Datenverbindungen von und zu hochfliegenden Plattformen (HAPs), das sind Flugzeuge oder Luftschiffe die sich über der Wolkendecke - auf einer Höhe von etwa 20 km - befinden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit Konzepten und Technologien, welche optische Kommunikation bei mehreren Gb/s zwischen HAPs und Satelliten ermöglichen sollen. Dazu bedarf es dem Erstellen eines Kanalmodels für die Atmosphäre, der Charakterisierung von hochempfindlichen optischen Direktempfängern, sowie der Studie von neuen Laserquellen, wie z.B. vertikal-emittierenden Halbleiterlasern (VCSELs).<br />Alle Parameter die das Kommunikationssystem beeinflussen werden mit Hilfe selbst entwickelter Software untersucht. Der Einfluss atmosphärischer Turbulenz auf den Laserstrahl, Hintergrundrauschen von der Erde und der Atmosphäre, Verluste innerhalb des Senders und Empfängers, sowie der Gewinn der durch den Einsatz von Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) erzielt werden kann werden berechnet. Mit diesen Methoden zeige ich, dass optische Kommunikation zwischen HAPs und geostationären Satelliten, bei einer Wellenlänge von 1550 nm und mit Datenraten von bis zu 10 Gb/s unter Verwendung von FEC und non-return-to-zero (RZ) Intensitätsmodulation, möglich ist.<br />

Innovative technologies are required to satisfy the ever increasing bandwidth demand associated with new communication services.<br />Free space laser communication - with its ability to transmit information via a collimated laser beam at high data rates using compact, low-mass terminals, while avoiding interference problems and radio frequency band saturation - is a promising candidate in the field.<br />While optical intersatellite links are state-of-the-art technology, laser communication from ground suffers from cloud coverage and atmospheric turbulence. To find a remedy, current research concentrates on optical communications from or to high-altitude platforms (HAPs) - aircrafts which are situated well above the clouds - where the atmospheric impact on a laser beam is less severe than directly above ground. Within this thesis, the major concepts and technological requirements of an optical link operating in the Gb/s-regime between a HAP and a satellite are investigated. This includes the establishment of an atmospheric channel model, the characterisation of highly sensitive direct-detection receivers, and the investigation of new and potentially important laser sources, namely vertical-cavity surface-emitting lasers.<br />All parameters affecting the optical communication system's performance are investigated by self-developed simulation programs. The impact of atmospheric turbulence, background noise originating from Earth and its atmosphere, losses within the transmitter and receiver assembly, as well as the impact of using forward error correction (FEC) on the achievable power margin at a certain target bit error ratio (BER) are calculated.<br />Thus, I show the feasibility of an optical communication link through the atmosphere between a HAP at 20 km height and a geostationary (GEO) satellite at the wavelength of 1550 nm and for data rates up to 10 Gbit/s when using return-to-zero (RZ) intensity modulation in combination with FEC.