CN104641579B - 高带宽光通信中继器有效负载 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种自由空间光通信系统(100)和方法，包括：多个光学扩束器(414)，所述多个光学扩束器用于从地面站点和邻近卫星接收输入的光信号；多个光学前置放大器(412)，所述多个光学前置放大器用于对接收的光信号进行前置放大；一个或多个光学主放大器(404)，所述一个或多个光学主放大器用于对前置放大的光信号进行放大；光学开关，所述光学开关(408)用于通过各自的光学扩束器将各个放大的光信号引导到各自的目的站。各个放大的光信号被输入到各自的光学扩束器(414)，从而作为输出的光信号发送到所述各自的目的站。

Description

高带宽光通信中继器有效负载

技术领域

本发明涉及一种高带宽光通信中继器有效负载。

背景技术

在全球范围内，世界各地的发展中国家对因特网的使用以高增长率不断增长。然而，很多位于赤道附近地区的新兴商业中心由于因特网连通性不好而被限制。这些商业中心所在国家的高带宽网络基础设施往往非常有限，并且有时被敌对邻国或者荒凉的地形包围，使得陆上和海底电缆连接都不可行。

然而，这些国家对因特网的高带宽连接的需求不断增长。很多增长最快的市场位于赤道附近并且通过海底电缆连接不良。对于一些较大的国家，内部网络基础设施相对简陋。此外，自然灾害也可以中断连接，快速地重新配置通信网络以与受影响的地区重新连接的能力是非常有价值的。除了上述被忽视的市场，那些不可忽视并不断增长的做带宽批发的全球主要的电信运营商也有备份和更换带宽以保持服务质量协议的需求。

地球静止轨道(GEO)通讯卫星具有固有的高等待时间，而其它卫星通信网络则有全球连通性有限、低带宽或高成本的组合的缺陷。每个GEO通讯卫星都覆盖地球相当大的一部分，但是因为具有长通信路径(约36,000km)，导致每条路径至少120毫秒的信号等待时间。此外，提供路由选择需要多次的反跳，并且在同一卫星的信号覆盖区域(footprint)内在地面站点之间没有连接会需要地面连接。此外，目前GEO通信卫星限于射频(RF)信号，这将可用带宽限制在几百MHz到几GHz的范围。另外，需要使用多条束来提供每个卫星相对高的总吞吐量(典型的，每个3.4Gbps的卫星需要使用72条48Mbps的束)。

“另外的3兆”(O3B)项目尝试使用射频(RF)信号为该赤道地区服务。由于使用RF，O3B具有非常严重的带宽限制。O3B使用中地球轨道(MEO)星群，该星群包含8到12个卫星、位于赤道上空8000km的轨道内。每一个卫星具有高达10RF链路，这样(最终)使得每个信道能够高达1.2Gbps。该卫星群为70个地面站点中的每个站点提供1.2Gbps的带宽，或者共84Gbps的带宽，并且该卫星网络被分成7个区域，每个区域设置一个网关。O3B还没有卫星间链接，所以跨区域边界的通信需要多次反跳。

Iridium^TM星群没有可以用于同一市场的带宽。Iridium^TM的低地球轨道(LEO)群的高度大约780km，该高度限制了每个卫星的接入。因此，一个具有66个有源卫星的星群用于提供整个地球的24/7的覆盖。使用LEO星群的L波段将卫星电话的带宽限制在1Mbps以内。网关链接仅对几个选定地点提供10Mbps的带宽。此外，实际上，卫星间链接为RF，带宽基本受到限制。

2005年左右，美国国家航空和航天局(NASA)在NASA火星轨道器通信项目中做了一些关于自由空间光通信(FSO)的有限实验，该研究有时也被称为激光通信，或者短激光通信。然而，这些实验被证明覆盖范围有限、连接性有限，并且通常带宽有限(每个链路的上限为大约5-10Gbps)。结论是，该项目没有商业可实行性。

为建立基于空间的激光通信网络已做了许多尝试。其中一个网络是转型通信体系(TCA)，该TCA是以具有卫星间链接的GEO卫星为主干网环绕设置，建立与其它航天器、空中平台和地面站点的激光链接。TCA的预算过高，以致于不可能实施并在刚开始的阶段就取消了。

上述所有关于空间激光通信的尝试都是采用光-电-光(O-E-O)的方法，即将接收的光信号转换为电信号，然后再转换回去成为发送的光信号。该方法的优点在于，信号以电子的形式存在时可以在电路板上进行全面的再放大、整形和再定时(3R)的重建过程，但是该方法对于硬件的尺寸、重量、尤其是功率提出极大的挑战。大部分的工作仍然是集中在使用GEO中的卫星，而它覆盖的范围是MEO卫星的6倍以上。

发明内容

在一些实施例中，本发明涉及一种自由空间光通信系统，包括：多个光学扩束器，所述多个光学扩束器用于从地面站点和邻近卫星接收输入的光信号；多个光学前置放大器，所述多个光学前置放大器用于对接收的光信号进行前置放大；一个或多个光学主放大器，所述光学主放大器用于将前置放大的光信号进行放大；和光学开关，所述光学开关用于将各个光信号通过相应的光学扩束器引导到各自的目的站。各个放大的光信号被输入到相应的光学扩束器，从而作为输出的光信号被发送到各自的目的站。

在一些实施例中，本发明涉及一种自由空间光通信方法。该方法包括以下步骤：从地面站点和邻近卫星接收输入的光信号；对接收的光信号进行光学前置放大；对前置放大的光信号进行光学放大；和将各个放大的光信号通过相应的光学扩束器光学引导到各自的目的站。各个放大的光信号被输入到相应的光学扩束器，从而作为输出的光信号被发送到所述各自的目的站。

附图说明

本发明的更全面的理解以及本发明的许多附带的特征和方面将通过参考以下结合附图的详细说明而更加清楚，在附图中，相同的附图标记表示相同的部件，其中：

图1显示根据本发明一些实施例的进行光通信的多个卫星的示例性MEO卫星群；

图2是根据本发明一些实施例的包括交叉链接和上行/下行望远镜的卫星有效负载的示例性布置图；

图3是根据本发明一些实施例的穿过卫星有效负载的光通信路径的示例性方框图；

图4是根据本发明一些实施例的机载光学硬件系统的简化方框图；

图5是根据本发明一些实施例的机载光学硬件系统的示例性方框图；以及

图6是根据本发明一些实施例的机载光学硬件系统的示例性方框图。

具体实施方式

下面参照附图对本发明做更充分的说明，其中附图显示了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以用很多不同的形式实施，但本发明不限于在此说明的实施例。相反地，这些实施例使本发明可以彻底和完全地公开，并且向本领域技术人员完整表述本发明的思想。

在一些实施例中，本发明涉及一种高带宽透明光通信中继体系，该体系为世界上增长最快的许多商业中心提供一种使通信信号的吞吐量得到巨大改善的新方法，包括对互联网连通性的改进。空间光学硬件被设计为尽可能地对光通信标准的未来进展不可知，由此所述空间光学硬件不会过时。地面硬件可以不断更新，以支持更高的带宽或标准的任何改变。网络设置有多个冗余路径并且可以快速重构，所以具有高度灵活性。

在一些实施例中，本发明涉及一种用于满足空间站上对光中继器的需要的新型方法(例如，MEO卫星的卫星群)，该方法能够将MEO卫星的冗余连接环与地面站点的网络进行链接。MEO卫星的卫星群可以做到透明和独立于光学格式和调制方案，并且优选地该信号是在C波段或L波段的谱带中，并可以扩展到其它光通信波段。使用通信标准，一些实施例能够向地面站点提供至少800Gbps的总吞吐量(计算每个链接的两个方向)，同时能够以至少1,600Gbps与相邻卫星之间发送或者接收数据。有效负载被设置为支持卫星群的增长，具有容易添加新的卫星的能力，并且该有效负载可以快速重置网络以使失效卫星退出网络。

图1示出了根据本发明一些实施例的由多个卫星102组成的示例性MEO卫星群100。如图所示，八个卫星102(8球卫星群)被布置在一起并成网状连接在一起，以为地球提供一个连续的覆盖带，尤其是围绕赤道地区的覆盖带。尽管图中示出了8个卫星的示例，但本发明不限于8个卫星，而不同数量的卫星，例如，四个、十六个或者其它数量的卫星都可以满足每个卫星有较大覆盖时间和/或冗余的目的。MEO卫星群中的每个卫星均使用卫星间激光通信(ISL)光学望远镜与多个(例如，4个或者更多个，但是在卫星数目最少的4球卫星群的情况下仅有2个相邻卫星)最近的相邻卫星光学连接。在一些实施例中，利用圆极化或者光谱多样性来为每个望远镜提供双向光信号路径。在一些实施例中，利用圆极化来将发送信号与接收信号分开。

不同的光谱区还可以用于允许每个ISL光学望远镜使用四个或更多路径，对网络信道分配的复杂性影响最小。ISL光学望远镜能够调节仰角来允许(适应)光通信的不同角度，以适应从环(卫星群)中增加或移除的卫星(即，改变卫星群中卫星的数量)，并重新定相当前使用中的卫星。

例如，在将一个新卫星发射到卫星群中的情况下，将发出一个或多个命令用来修正轨道及重置卫星间和地面光通信(望远镜)，例如，该命令由地面站点中的地面望远镜发送到每个卫星。

在一些实施例中，每个卫星都使用上行/下行链路光学望远镜连接到多个地面站点。最低的可行配置是每个卫星使用一个上行/下行链路望远镜，但是，多个望远镜提升网络总容量并提供更大的增益流(revenue stream)。虽然在某些实施例中6个或者8个上行/下行望远镜可能更优选，但主卫星可以轻松地支持至少4个上行/下行链路望远镜。连接是提前设置好的，这样，无论何时卫星群中的前一个卫星与地面的连接接近结束，至少有一个上行/下行链路望远镜处于空闲状态，从而使得互联网可以在前一个连接断开之前建立新的连接，这种模式成为“先通后断(Make-Before-Break)”模式。

地面上的站址分集(site diversity)用于减轻天气原因造成的中断，站址分集是在彼此距离相对较近的位置设置多个(两个或更多个)终端(地面光学望远镜)，例如，在相关的地面网关的几百公里范围内。基于预先预测的无云视线概率，选择所述地面终端/望远镜中的两个用于与地面站点光学连接的卫星的每一个通信。所述两个地面终端可以由卫星上单独的上行/下行链路望远镜进行追踪，但是也可以使用双向追踪系统，所述双向追踪系统具有大到足以通过单个望远镜同时覆盖所述两个地面终端的视场。在一些实施例中，当空间隔离充分时，使用双极化作为区分来自所述两个地面终端的信号的一种方法。在一些实施例中，不同光谱段可以用于信标。

另外，每个地面站点都将具有至少两个上行/下行链路望远镜，使得当卫星群经过该地面站点时，可以在旧的连接断开前建立新的连接。这样，通过使用站址分集并借助于监控和在支持单个信号网关/站点的单独的地面终端之间进行实时转换使得卫星群具有很高的可用性。卫星群经过站点时，上行/下行链路望远镜使用光学信标不断且实时地追踪正当前的两个地面站点/终端，并且向视线最清晰的地面站点/终端发送数据。多个(例如，两个或更多个)彼此相对接近的地面终端通过有线或无线、电学或光学通信模式与共用网关直接通信。网关可以位于运营商聚集区(carrier hotel)或者其它与本地高速互联网络具有多个连接的站点中。

在一些实施例中，每个地面终端均包括用于控制一个或多个卫星处的光束的望远镜和天线系统。在一个实施例中，基于地面用万向架固定的激光通信终端/望远镜在每次卫星群经过时追踪个别的卫星。在一个实施例中，网络操作中心发送一个或多个开关命令，该命令用来配置数据路径以保持所需地面站点之间的连续的连接，同时具有另外的链接用于当卫星轨道在地球周围时在旧的连接被撤消前建立新的连接。

尽管图1中的卫星群关于MEO轨道来说明，但是GEO与MEO轨道卫星的结合也是可行的，并且也在本发明的保护范围之内。在所述体系中添加一个或多个GEO卫星可以通过多种方式实现。在一个简单但受限的方法中，将MEO中继卫星群的网关与GEO卫星的终端定位在同一个地方。该方法是利用MEO卫星群将数据从一个GEO卫星传递到另一个GEO卫星。一种更灵活的方法是，可以对每个MEO卫星添加一个或多个GEO链接望远镜，从某一个方面看这种连接足够使至少一个MEO卫星始终能够与所有GEO轨道中的任何卫星进行通信。考虑到不断增大的通信范围，为关闭MEO链接而设计的放大器将能够支持与GEO之间3-5Gbps的数据传送和接收。在放大器可以输出更高功率的前提下，更高的数据传输速率是可以实现的。因为硬件在透明模式下工作，所以不需要为支持不同数据传输速率和范围而做出重大改变。在一些实施例中，还可以使用共形电子转动阵列(ESA,conformal electronically steeredarray)为至GEO卫星的上行链路和下行链路添加或切换到RF通信模式。在一些实施例中，因为RF信号只能用于从一个卫星到另一个卫星的通信，所以频率分配问题被简化了，并且被利用的频率可以被选择为没有穿过大气的频率。

在一些实施例中，近地轨道(LEO)和MEO轨道卫星的结合也是可行的，并且也在本发明的保护范围内。并且，有许多方法可以将一个或多个LEO卫星添加到本发明的卫星群。在每一种情况中，重点在于单向数据流，所述单向数据流从以相对较高的数据传输速率收集数据的LEO卫星传输到与卫星的地面处理中心相连接的网关。一个简单的方法是在LEO卫星上增加兼容性激光通信发射器。当设置在中继卫星上的上行/下行链路束控制器位于赤道的大约20度范围内时，该控制器能够追踪LEO卫星。对于太阳同步或接近两极的卫星来说，这将为每个轨道提供两个通信窗口，每个窗口大约占10％的卫星轨道周期。具有下倾角的LEO轨道的连接时间将会增加。可以使用一种使用机载数据存储单元的存储-转储策略。

一种稍微更复杂的方法是将在同一轨道平面内的LEO卫星环添加到本发明的卫星群。每一个LEO卫星都有与距离最近的相邻卫星通信的一对卫星间链接以及到MEO环的上行链路激光通信发射器。LEO卫星将从轨道上的前一个卫星接收数据，添加自己的数据，然后将结果发送到下一个卫星。当数据流到达与MEO环连接的LEO环中的两个卫星中的一个时，该数据接着被发送到MEO卫星并再次转发到正常MEO覆盖区中的期望网关。这种方法的结果是所有LEO卫星数据到达地面的等待时间少于一秒钟。这将也会减少或消除LEO卫星对机载数据存储单元的需要。另外，一种混合方法也是可行的，其中部分LEO环被建立用于增加可用的连接时间。只要所述部分环中的任何卫星与MEO中继卫星相连接，则来自所有卫星的数据瞬间到达网关。

图2是根据本发明一些实施例的包括交叉链接和上行/下行望远镜的卫星有效负载200的示例性布置图。如图所示，多个卫星间(交叉链接)望远镜204a到204c(在该示例图中示出了四个)安装在每个卫星的外部以用于进行卫星间光通信。在本示例中，望远镜204a和204b位于卫星的右侧并与该卫星右侧的、距离最近的相邻卫星中的一个或多个进行通信。例如，204a与位于该侧面的最近的邻近卫星(即，相邻的卫星)相对并通信，204b与位于该侧面的下一个最近的邻近卫星(即，两个卫星具有距离)相对并进行通信。同样地，望远镜204c和204d位于卫星左侧，并与位于卫星左侧的最近的邻近卫星中的一个或多个进行通信。每个交叉链接望远镜都能够被选择地控制以校准与邻近卫星的光通信，和/或者在新的卫星被添加到卫星群的情况下，用于建立与该新卫星的新的光通信。这样，卫星间光学链接将各个卫星连接在冗余网络中。

在一些实施例中，交叉链接望远镜204a到204d包括可调节倾角的设置，以追踪卫星群中的邻近卫星。在一些实施例中，两个最近的相邻卫星和两个下一个最近的邻近卫星用于卫星间通信。束转向镜用于补偿主卫星的抖动和轻微的轨道差异。倾角调节是在向卫星群和通信环中添加或移除卫星的特别情况下使用的。因为交叉链接望远镜是共享资源，并且多种方法都适用于利用极化和粗波分将多个信号结合到交叉链路，然后传送完再对数据进行分离。在一些实施例中，四个或更多个信号束分享同一个交叉链路望远镜。

另外，多个上行/下行链路望远镜206a到206b(在该示例性图中示出了6个)安装在每个卫星的外部上，用来进行地面通信和站址分集。在一些实施例中，每个上行/下行链路望远镜支持至少一个世界范围内的地面站点之间的单个高带宽(例如，100Gbps)双向连接。另一个上行/下行链路望远镜用于该双向连接的另一端，并且该另一个上行/下行链路望远镜位于同一个卫星上或者连接的卫星上。通过8个卫星和每一个卫星的6个上行/下行链路望远镜，网络可以支持高达24个高带宽双向连接。

在一些实施例中，上行/下行链路望远镜206a到206g为在每个卫星上的用万向架固定的望远镜或者带有定天镜的望远镜，以追踪地面站点和建立高带宽链接。在一些实施例中，密集波分复用(DWDM)用于提供与每个地面站点100Gbps(或者更高)带宽的双向链接。极化和/或波长多样性还被用于分隔两个数据流。网址分集用于减少由于视线中的云而造成的中断。每个望远镜都具有内部双转向镜，以在通过万向镜或定天境追踪的中心点的100km半径内保持对两个地面接收望远镜的追踪。所述两个地面望远镜可以在每个卫星经过前从较大组地面望远镜中选出。

在一些实施例中，上行/下行链路望远镜为小光学望远镜(例如，光圈直径为大约10cm)，所述上行/下行链路望远镜在万向架上或使用定天境来追踪地面站点。多个束转向镜和控制回路允许每个上行/下行链路望远镜同时追踪地面站点100km半径内的两个终端，该过程可以每次经过该站点时从较大的可用终端列表中选择两个。在一些实施例中，地面光学望远镜较大，例如，标称直径为40cm，这样可以消除选择定天境来控制来自大望远镜的束。在一些实施例中，卫星间链接是由较大的望远镜建立的，例如约30cm，该较大的望远镜使用快速束转向镜来补偿平台抖动和轨道中的微小差异，同时具有用于当在卫星环中添加新卫星和失效卫星被移除时重新指向轨道平面的仰角调节机构。用于最近的相邻卫星的交叉链接望远镜可以比用于更远的下一个最近的邻近卫星连接的交叉链接卫星小，以保持其余的硬件相同，并且减小有效负载重量。

每个卫星的机载光学硬件(有效负载)包括：多个光学前置放大器212；光学开关矩阵208；一个或多个主放大器210；多个功率放大器216；指令、控制和遥测(CC&T)子系统214；和电源218。在一些实施例中，光学前置放大器212和功率放大器216支持固定数量(例如，10个)的单独的10Gbps信道，该信道具有可接收的信号较差和有效的总放大率，从而提供可接收的信噪比(SNR)或每比特中的光子量。其它的实施例中，激光泵浦功是可扩展的，所以每个放大器的信道数量可以调节，以适应带宽的不同需要。所述放大器可以是掺铒光纤放大器(EDFA)、平面型波导(PWG)、拉曼放大器、半导高纵横比芯(SHARC,Semi-Guiding HighAspect Ratio Core)光纤激光放大器、其它技术或者以上放大器的组合。

在一些实施例中，对于商业的商用货架产品(COTS)部分的空间资格、空间硬件的所需方法和COTS部分在地面上的直接使用，商业标准被用在各种可以使用的领域内。在一些实施例中，C波段或者C和L波段光学放大器使用平面型波导(PWG)或相关技术。在一些实施例中，使用国际电信联盟(ITU)为有效负载提供标准的50GHz信道隔离度，并且未来可以简单的更新就可以支持标准提高和商业硬件的发展。在一些实施例中，电源接口被设置为与卫星的(标准的)电源总线相连接，使得本发明的光学硬件在特定功率限制下可以适合“标准的”或已经存在的卫星平台。通常，卫星的光学硬件相对于特定的实施细节来说应当尽量透明和不确定，使得所有这种更新都可以在地面完成。

多个卫星中的每一个均包括光学电路/硬件，用来在无需将光信号转换为电信号的情况下对接收和发送的光信号进行光学处理和转换。机载硬件从地面和/或一个或多个邻近卫星接收进入的光学数据流，对该数据流做光学更新操作，使用光学开关将更新后的数据流引导到所需的(选择的)输出路径，然后将数据流发送到它的最终目的地(地面和/或一个或多个邻近卫星)。对接收的光学数据流的更新包括再放大(使用光学前置放大器212、主放大器210和功率放大器216)，这些操作都是在光学领域中。这样，对光学数据流的放大是在每一个卫星有效负载内没有转换为电信号的情况下完成的，并且对于数据调制方案是完全透明的。所述机载硬件能够以C波段、L波段和其它光波段工作，并且重塑和重新定相光学数据流。

在一些实施例中，使用密集波分复用(DWDM)的约50GHz的信道隔离度用于提供至少80个10GHz的信道。然而，更多的信道及每个信道更高的带宽(使用更复杂的调制方案)都是可以实现的，并且在本发明的保护范围内。光学开关矩阵208允许将每个光学输入光学耦合到任何其它输出信道。在一些实施例中，光学开关矩阵208能够将其接受到的任何信号接通每一个输入，包括信道的所有束。在一些实施例中，执行去复用、单个信道电平的转换以及再复用，从而允许对每个单个信道进行转换。当卫星群经过地面站点时，机载光学开关矩阵208还允许建立和更新网络光学路径。

一个或多个主激光器210作为用于每个卫星上光学信号的放大器链的一部分使用在每一个卫星上。在一些实施例中，所有信道一起复用，主放大器可能需要具有与末级功率放大器一样的功率。在其它实施例中，每一个连接都有自己的放大器链，主放大器需要明显小于末级功率放大器的功率的功率。

图3是根据本发明一些实施例的光通信信道300的示例性方框图，其中光通信信道300的一部分穿过卫星有效负载。如图所示，在方框302中，地面用户生成光信号。在该生成的光信号被提供给地面终端光学收发器308之前，该生成的光信号在方框304中进行前置放大并在方框306中进行功率放大。地面终端光学收发器308使用一个地面终端望远镜将该被放大后的光信号传送到选定的卫星。被传送的光信号被卫星收发望远镜310接收，并且由卫星前置放大器312和主放大器314放大。然后，该被放大的光信号被机载光学开关315引导到特期望位置，例如，地面终端收发器328或者邻接卫星收发望远镜318。路径选择完后，光学功率放大器316在选定的望远镜的协助下对该光信号再次放大。

光学交换网络可以有多种形式，包括简单的N×N交叉连接光学开关，该光学开关对光信号内容或跟随有80×80无阻塞交叉连接光学开关的去复用器透明，并且该80×80无阻塞交叉连接光学开关允许数据流从每个原点到多个终点(目标)分布。在一些实施例中，光学切换网络可以在前置放大器后立即放置，以减少开关控制的功率。在一些实施例中，主放大器和功率放大器可以结合为一个高增益功率放大器。

当所述光信号被邻近卫星收发望远镜318接收时，该光信号被光学前置放大器320和光学主放大器322放大(在邻近的卫星收发器中)。该光信号被机载光学功率放大器326放大后，机载光学开关324(位于邻近卫星上)将该信号再引导到地面终端收发器328。在该被接收的光信号被发送到用户334进行进一步处理前，该被接收的光信号被光学前置放大器330和光学功率放大器332放大。在一些实施例中，地面收发器308和328在两个不同的站点处。卫星收发望远镜310、邻近卫星收发望远镜318和地面收发器(望远镜)308和328均能够指向并且追踪他们的目标望远镜，正如在图3中所示的“APT”(获取、指向、追踪)。该光通信信道体系有时也被称为弯管。如上所述，光信号没有被转换为电信号，所以就像光信号仅仅在一个弯管中穿过，该弯管接收该信号并该改变它到另一个地面站点或卫星的传播方向。

图4是根据本发明一些实施例的机载光学硬件系统400的简化方框图。图4被简化以仅显示光学开关408的一个目的站(destination)。如图所示，输入的光信号被光学扩束器414接收，并被光学前置放大器412前置放大。在一些实施例中，基于链路预算，输入的光信号中的每个进入的比特包含约400个光子。无论是在地面或另一个卫星，为了在下一个阶段达到相同的水平，信号需要被放大大约4百万倍。前置放大的光信号可以接着通过复用器相合并。被末级功率放大器410放大后，单个信道的被合并的信号接着被光学主放大器404放大和被去复用器406去复用，然后被传送到光学开关(交叉开关)408，以通过扩束器414被引导到特定的目的站。在一些实施例中，复用器和去复用器可以被移除，这是因为分开的主放大器被用于每一个前置放大器。

光学放大器被设计成极低噪音的，使得光子散粒噪声成为主要的噪音来源。光学放大器可以包括一个或多个光学滤波器，以降低来自前一阶段的光信号中可能包括的任何噪声。三个放大阶段是最优选择，即，前置放大器优选用于低噪音，末级功率放大器优选用于插墙式功率效率(电-光转换效率)，而主放大器平衡了两种需要。在一些实施例中，光学扩束器被设置为使用密集波分复用(DWDM)为每个地面站点提供双向的100Gbps(或者更高)的带宽链接。

在一些实施例中，平面型波导(PWG)激光器被用于全部三种类型的光学放大器，但是也可以使用其它选择，例如，掺铒光纤放大器(EDFA)和半导高纵横比芯(SHARC)光纤激光放大器。例示性的SHARC激光放大器由于2007年8月9日申请的申请号为2009/0041061的共同拥有的美国专利公开，该申请的整体内容在此被明确引用以作为参考。在一些实施例中，扩束器414为具有万向架和快速转向镜(FSM)的10cm上/下扩束器。在一些实施例中，光学前置放大器412能够将输入的信号放大大约4000倍(增益)，并且由每个信道0.25μW的输入信号变成每个信道信号输出1mW信号。在一些实施例中，光学主放大器404具有约250倍的增益，并且能够将80个信道中的每个信道0.4mW的输入信号放大到80个信道中每个信道为100mW或者80个信道一共8W的输出信号。在其它的实施例中，设置有多个主放大器，每个主放大器与前置放大器配对，并且输入到N x N光学交叉开关，并且能够获得10个信道中每个信道大约0.4mW的输入信号和10个信道中每个信道100mW或10个信道一共1W的输出信号。在一些实施例中，光学功率放大器410具有大约25倍的增益，并且能够将10个信道中每个信道0.4mW的输入信号放大到10个信道中每个信道1W的输出信号。

光学(交叉)开关能够执行不同的开关方法，允许完全透明的点对点连接或者更加灵活的所有地面站点之间的网状连接。每一个输入都可以与任意输出相连接而不会阻碍其它输入。在一些实施例中，光学开关使用微电机系统(MEMS)技术，将多个小反光镜根据指令倾斜，从而将每个光信号从它的输入反射到特定的输出。在一些实施例中，使用低损耗压电开关。

图5是根据本发明一些实施例的机载光学硬件系统500的示例性方框图。在此，扩束器502用于与最近的相邻卫星的卫星间通信，扩束器504用于与下游下一个最近的邻近卫星的卫星间通信。同样地，扩束器506用于与最近的相邻卫星的卫星间通信，扩束器508用于与上游下一个最近的邻近卫星的卫星间通信。在一些实施例中，扩束器502、504、506和508每一个都是多个位置安装有FSM的30cm的ISL扩束器。在一些实施例中，用于与最近的相邻卫星连接的ISL扩束器(502和506)的直径是所述尺寸的一半，即15cm。另外，四个扩束器510用于地面通信，并且两个或更多个额外的光学扩束器512用作冗余的目的。如图所示，每个扩束器都与功率放大器和前置放大器相关联。

复用器、主放大器、去复用器和光学交叉开关514的功能与图4中所描述的相似。每个放大器可以包括一个或多个光学过滤器以降低信号噪音。在一些实施例中，机载光学硬件包括有效负载结构和热子系统516、有效负载电子装置518和有效负载软件520。有效负载结构提供结构支持且热子系统提供温度控制，这些是有效负载的功能。有效负载电子装置接收网络转接指令并且控制对光学交叉开关的设置，并且有效负载软件解释指令的字符串并将其翻译成正确的开关指令。如图所示，光学放大器被分布有多个高增益前置放大器、一个或多个主放大器和多个功率放大器。在一些实施例中，一些重新生成的脉冲可以添加到有效负载硬件，但是错误检测与纠正(EDAC)和多普勒修正被延迟直到信号到达地面上的目的站。

图6是根据本发明一些实施例的机载光学硬件系统600的示例性方框图。在这些更简单的实施例中，没有用于将单个信道从信道束中分隔出去的复用器和去复用器。因此，处理(放大和转接)在每一个信道束而非每个单独的信道上执行。扩束器、前置放大器和功率放大器与图5中所描述的相似。在这些实施例中，每一个通过卫星中继的连接都有单独的主放大器，这样主放大器的每个放大器可以被设计为有较低的功率需求和降低的热负载。光学交叉开关可以与图5中所示的N x N方案相似。

将空间传输部分设计为全光中继形式降低了有效负载的尺寸、重量和功率。空间中的光学开关具有多种水平的转接复杂性，允许全透明或完全灵活的世界范围的网络连接。使用多个卫星间链接望远镜增加了网络冗余，同时为这些望远镜增加仰角调节机构允许随时在网络中添加新卫星、移除失效卫星。使用多个上行/下行链路望远镜允许每个卫星支持其负责的运行区域范围内的多个地面站点，而在每个望远镜的视野区域内使用双视线控制回路增加了本地站址分集，以减少云的影响。这样，每个上行/下行链路望远镜可以同时跟踪两个本地站点，并且无论使用其中的哪一个都能够具有更清楚的视线。

此外，本发明的机载光学硬件为输入的比特流提供了透明的中继，并且在主卫星的使用年限内适应标准的提高和修改，这是因为该光学弯管独立于任何标准，所以标准的任何变化都可以通过地面硬件的变化来调整。

本领域技术人员可以理解，在不背离本发明的宽泛创造性的范围内，可以对本发明的上述和其它实施例进行各种修改。因此，将会理解的是本发明不限于所公开的特定的实施例或结构，而是覆盖本发明权利要求所限定的本发明的保护范围和精神内的任何改变、重组或变形。

Claims (22)

1.一种自由空间光通信系统，包括：

多个光学扩束器，所述多个光学扩束器用于从地面站点和邻近卫星接收输入的光信号；

多个光学前置放大器，所述多个光学前置放大器用于对所述接收的光信号前置放大；

一个或多个光学主放大器，所述一个或多个光学主放大器用于对所述前置放大的光信号进行放大；和

光学开关，所述光学开关用于通过各个光学扩束器将各个经过放大的光信号发送到相应的目的站，

其中，各个放大的光信号被输入到相应的光学扩束器，以用于作为输出的光信号传送到所述相应的目的站，以及

所述多个光学扩束器中的一个或多个通过光通信与所述地面站点相连接，并且被设置成当卫星群经过给定地面站点时追踪所述给定地面站点的至少两个地面终端并向对所述卫星群有最清晰视线的地面终端传送数据，其中所述自由空间光通信系统设置在所述卫星群中。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：

光学复用器，所述光学复用器用于将所述前置放大的光信号合并，并将合并后的光信号输出到单个光学主放大器，所述光学主放大器用于放大所述合并后的光信号；和

去复用器，所述去复用器用于对用于输出到所述光学开关的所述放大和合并的光信号进行去复用。

3.根据权利要求1所述的系统，还包括：

多个光学功率放大器，所述多个光学功率放大器光学耦合到所述光学开关，且各个光学功率放大器用于对所述输出的光信号进行放大。

4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述光学前置放大器、所述光学主放大器和所述光学功率放大器中的每一个都包括一个或多个光学过滤器，以降低从前一阶段接收的光信号中包括的信号噪声。

5.根据权利要求3所述的系统，其中，所述光学前置放大器、所述光学主放大器和所述光学功率放大器从一个群组中选择，所述群组由掺铒光纤放大器(EDFA)、平面型波导(EDFA)、半导高纵横比芯(SHARC)纤维激光器和拉曼放大器中的一个或多个组成。

6.根据权利要求3所述的系统，其中，所述光学前置放大器、所述光学主放大器和所述光学功率放大器为低噪音放大器，使得光信号中的光子散粒噪声是主要的噪声源。

7.根据权利要求1所述的系统，其中，四个光学扩束器用于与两个最近的邻近卫星和两个下一个最近的邻近卫星进行光通信，其中所述两个最近的邻近卫星分别位于两侧，所述两个下一个最近的邻近卫星分别位于两侧。

8.根据权利要求1所述的系统，其中，用于与地面站点光通信的所述多个光学扩束器中的每一个被设置为使用密集波分复用(DWDM)为每个地面站点提供具有至少100Gbps带宽容量的双向链接。

9.根据权利要求8所述的系统，其中，用于与地面站点光通信的所述多个光学扩束器中的每一个进一步被设置为使用极化和波长多样性中的一个或多个来隔离双向链接中的两个数据流。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，所述输入的光信号和所述输出的光信号位于C波段光谱波段或者L波段光谱波段中。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述输入的光信号和所述输出的光信号被光学变形和重相。

12.根据权利要求1所述的系统，其中，通过光通信与地面站点相连接的所述多个光学扩束器能够向所述地面站点提供至少800Gbps的双向吞吐量。

13.根据权利要求1所述的系统，其中，通过光通信与邻近卫星相连接的所述多个光学扩束器能够向所述邻近卫星提供至少1,600Gbps的双向吞吐量，并且能够由所述邻近卫星提供至少1,600Gbps的双向吞吐量。

14.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学开关被设置为用于从地面操作中心接收一个或多个开关命令，以配置光学数据路径和保持所需地面站点之间的不间断的连接。

15.根据权利要求1所述的系统，还包括：

一个或多个激光器，所述激光器被设置为用于放大所述光信号中的一个或多个。

16.根据权利要求1所述的系统，其中，所述光学开关包括具有多个小反射镜的压电致动器或微机电系统(MEMS)，并且所述多个小反射镜根据命令倾斜以将每个光信号从该光信号的输入端连接到相应的目的站。

17.根据权利要求1所述的系统，还包括：

电源接口，所述电源接口被设置为连接到卫星的电源总线。

18.一种使用权利要求1所述的系统在多个卫星的卫星群中进行自由空间光通信的方法。

19.一种自由空间光通信方法，所述方法包括以下步骤：

从地面站点和邻近卫星接收输入的光信号；

对所述接收的光信号进行光学前置放大；

对所述前置放大的光信号进行光学放大；和

将各个被放大的光信号通过相应的光学扩束器发送到各自的目的站，

其中，各个放大的光信号被输入到相应的光学扩束器，从而作为输出的光信号传送到各自的目的站，以及

所述多个光学扩束器中的一个或多个通过光通信与所述地面站点相连接，并且被设置成当卫星群经过给定地面站点时追踪所述给定地面站点的至少两个地面终端并向对所述卫星群有最清晰视线的地面终端传送数据，其中所述光信号处理过程在所述卫星群中完成。

20.根据权利19所述的方法，还包括以下步骤：

合并所述放大的光信号并将合并的光信号输出到单个光学主放大器，从而对所述合并的光信号进行放大；和

去复用所述放大并合并的光信号以用于输出到光学开关，所述光学开关将各个放大的光信号引导到各自的目的站。

21.根据权利要求19所述的方法，还包括以下步骤：

从地面操作中心接收一个或多个开关命令，以配置光学数据路径并保持所需地面站点之间的不间断的连接。

22.根据权利要求19所述的方法，还包括以下步骤：

使用四个光学扩束器与两个最近的邻近卫星和两个下一个最近的邻近卫星进行光通信，其中，所述两个最近的邻近卫星分别位于两侧，两个下一个最近的邻近卫星分别位于两侧。