JP2016519506A - 自由空間光通信のためのレーザー・リレー - Google Patents

Abstract

【課題】自由空間光通信のためのレーザー・リレー。【解決手段】光学ビームを受信し、送信するための光学望遠鏡と、送信し受信された光学ビームを分離するための光学ダイプレクサと、光増幅器と、複数の通信リモート・ネットワーク・ノードの照準線コントロールに対する、変調されたビーコン・レーザーと、前記光学望遠鏡の照準線コントロールに対する着信ビーコン光ビームを検出し、他のネットワーク・ノードからのテレメトリー・データを受信するためのビーコン・ビーム検出器と、そして、前記変調されたビーコン・レーザーの出力を前記光学望遠鏡に挿入するための、別のネットワーク・ノードへ伝送するための、また、前記ビーコン検出器に前記着信ビーコン光ビームを搬送するための手段と、を含む自由空間光通信のためのレーザー・リレー・モジュール。【選択図】図２

Description

本願発明は、自由空間光通信のためのレーザー・リレーに関連する。

高速度データ交換に対する世界的な需要が増加しているために、光ネットワークと光通信とに対する、そのようなネットワークのノードの間での通信要求の増加が存在する。例えば、世界的なインターネットの使用は、これまでに、世界中の発展途上国で高い成長速度で増加している。しかしながら、赤道の近くの地域における多くの新生のビジネス・センターは、インターネットへの脆弱な接続性によって、ハンディキャップを負っている。これらのセンターは、典型的には、限られた国内高帯域ネットワーク・インフラを有する国に位置し、時として、地上および海底ケーブル接続を非実用的にする敵対的な隣国、あるいは、条件の悪い地形に囲まれている。

それでも、これらの国において、インターネットへの高帯域接続に対する継続的な要求が存在する。最も急速に成長しているマーケットの多くは、赤道に近いことと、海底ケーブルを介して十分につながっていないこととの両方である。いくつかの大きな国に対して、国内のネットワーク・インフラは、比較的原始的である。更にまた、天災が、接続を中断させることもありえ、そして、被災地を再接続するために速く通信ネットワークを変更する能力は、非常に貴重でありえる。加えて、サービスが不十分な市場に対して、顕著かつ発達しているホールセール帯域幅の主要な世界的テレコム・キャリアは、サービス品質合意を維持するためにバックアップおよび交替の帯域幅のニーズを有している。

宇宙空間におけるレーザー通信の以前の試みはすべて、着信光信号を電気信号に変換し、そして、次に、発信の光信号に変換して戻す、光−電気−光（Ｏ−Ｅ−Ｏ）アプローチを使用してきた。すなわち、すべての従来の宇宙空間光通信システムは、システムの各々のノードで電子レシーバを持ち、したがって、光学ー電子変換を必要とする。

更にまた、従来のアプローチは、モジュラーのやり方でシステムをパッケージしない。したがって、結果として生じるシステムは、例えば、宇宙空間や空中プラットフォームにおいて使用のためには、実際的でない。なぜなら、そのようなシステムは、かなり大きな重量を持ち、より多くのパワーとコストを必要とするからである。したがって、以前のデザインの１つあるいは２つだけが、商業的な宇宙船により、サポートされることができる。

さらに、ペイロードの従前の実施形態は、それらの間で複雑な相互接続ケーブル接続を有する別々の光学およびレーザ構造を持っている。考慮された別の従来のアプローチは、宇宙船のバス構造の内に搭載されたレーザーおよび電子部品の分散アプローチであった。しかしながら、これらの構成の両方とも、製造、統合することが難しいことが分かった。それらは、実質的なコスト・ドライバである多数のユニークな部分を必要とするからである。

本願発明のレーザー・リレー・モジュール（ＬＲＭ）は、サイズ、重さ、および、パワー使用に関してはるかに効率的である。本願発明による新規のデザインは、宇宙船につき、１２以上のＬＲＭを許容する。

いくつかの実施形態において、本願発明は、自由空間光通信のためのＬＲＭである。ＬＲＭは、光学ビームを受信し、送信するための操縦可能なマウント上に搭載された光学望遠鏡と、送信し受信された光学ビームを分離するための光学ダイプレクサと、前記受信した光学ビームの信号レベルを、送信ビームの所定のレベルに復元するための光増幅器と、複数の通信リモート・ネットワーク・ノードの照準線コントロールに対する、また、ステータス、システム管理、および他のネットワーク・ノードへのテレメトリー・データの光伝送のための、変調ビーコン・レーザーと、前記光学望遠鏡の照準線コントロールに対する着信ビーコン光ビームを検出し、そして、ステータス、システム管理、および、他のネットワーク・ノードからのテレメトリー・データを受信するためのビーコン・ビーム検出器と、調整されたビーコン・レーザーの出力を光学望遠鏡に挿入するための、別のネットワーク・ノードへ伝送するための、また、前記光学望遠鏡において前記着信ビーコン光ビームを収集し、前記ビーコン検出器に前記着信ビーコン光ビームを搬送するための手段と、を含む。

いくつかの実施形態において、各々のレーザー・リレー・モジュールは、二重光信号パスを提供するために、円偏光、または、スペクトル多様性を利用することができる。いくつかの実施形態において、各々のレーザー・リレー・モジュールは、光ネットワークにおける他の光ノードのジッターと位置相違を補償するために、ビーム・ステアリング・ミラーを含むことができる。

ＬＲＭのためのプラットフォームとしての衛星の場合には、所与の衛星における所与のＬＲＭの１つ以上のアップ／ダウン・リンク望遠鏡は、連続的、リアル・タイムに、例えば、光学的ビーコンを用いて所定のグラウンド地域の少なくとも２つのそれぞれのグラウンド光学望遠鏡を追跡するように構成することができる。いくつかの実施形態において、所定の衛星の単一のアップ／ダウン・リンク望遠鏡は、円偏光、または、スペクトル多様性を使用して、所定の衛星の前記少なくとも２つのそれぞれのグラウンド光学望遠鏡を追跡するように構成することができる。

いくつかの実施形態において、各々のアップ／ダウン・リンク望遠鏡は、所定の衛星の前記少なくとも２つのそれぞれのグラウンド光学望遠鏡の上の追跡を維持するために二重内蔵ステアリング・ミラーを含むことができる。

本願発明のより完全な認識、および、それらの付随する特徴と態様の多くは、同様の参照符号は、同様のコンポーネントを指す、添付の図面とともに考慮されるとき、以下の詳細な説明を参照して、本願発明がよりよく理解されると、すぐに明らかになる。ここで、
図１は、本願発明のいくつかの実施形態にしたがう、光通信による複数の衛星の例示的なＭＥＯコンステレーションを示す。 図２は、本願発明のいくつかの実施形態にしたがう、クロス・リンクおよびアップ／ダウン望遠鏡を含む衛星ペイロードの例示的なレイアウト・ビューである。 図３は、本願発明のいくつかの実施形態にしたがう、例示的なレーザー・リレー・モジュールに対する簡略ブロック図である。 図４は、本願発明のいくつかの実施形態にしたがう、いくつかのレーザー・リレー・モジュールの制御の簡略ブロック図である。 図５は、本願発明のいくつかの実施形態にしたがう、レーザー・リレー・モジュールのペイロード構成のブロック図である。 図６は、本願発明のいくつかの実施形態にしたがう、レーザー・リレー・モジュールの簡略信号ブロック図である。

次に、本願発明は、添付の図面を参照して、以下のように完全に記述される。図面には、本願発明の例示的な実施形態が示される。しかしながら、本願発明は、多くの異なる形に表現されることができ、そして、ここに述べられる実施形態に限定されているものと解釈されてはならない。むしろ、これらの例示的実施形態は、この開示は、徹底的、完全であり、また、当業者に本願発明の概念を詳細に伝えるように提供される。

いくつかの実施形態において、本願発明は、自由空間光通信のためのレーザー・リレー・モジュール（ＬＲＭ）に向けられている。レーザー・リレーの光学ハードウェアは、時代遅れにならないために、光通信標準の将来の進化についてできるだけ影響されないように設計される。例えば、宇宙空間光通信の場合には、地上ハードウェアは、より高い帯域幅、または、その標準における任意の変化をサポートするために、インクリメンタルにグレードアップすることができる。ここに提供されている大部分のプラットフォームの例は、宇宙船プラットフォームを参照するけれども、本願発明のＬＲＭは、衛星アプリケーションに制限されず、空中の、地上の、および／または、水上のプラットフォームなど種々の光通信システムおよびネットワークにおいて、展開することができる。

いくつかの実施形態において、ＬＲＭは、光信号の追跡および伝送を獲得し、その光信号を受信し、自由空間から光ファイバー・トランスポートへ、それらを変換し、その光信号を（事前）増幅し、フィルター処理し、それらを所望であれば光ルーターに送り、ハイパワー光増幅を実行し、その光信号を自由空間に変換して戻し、意図された行先に、光信号を伝送するために、使用される自己完結型（ｓｅｌｆ−ｃｏｎｔａｉｎｅｄ）デバイスである。いくつかの実施形態において、ＬＲＭは、ビーム・エクスパンダー、移動光学部品、マルチ軸ジンバル、低雑音光増幅器（ＬＮＡ）、プログラム可能ノッチ・フィルター、ブースター光増幅器、パワー光増幅器、熱放射体、一体構造、および、光ファイバーと電気相互接続を含む。

いくつかの実施形態において、ＬＲＭは、同時接続の数に基づいて、（例えば、衛星など）所望のプラットフォーム上で所望の回数複製することができる。ＬＲＭのいくつか他のペイロード・コンポーネント（および、対応する機能）は、コマンドおよびコントロール・プロセッサー、照準線プロセッサー、および、光学ルーターまたはスイッチである。これらのコンポーネントは、集積化の容易さのために中央に位置する。モジュール化による方法は、顕著に少ない部品を使用し、また、複雑でないインタフェースを有する。このアプローチの更なる利益は、カスタマーの空中の、または、軌道の衛星、または、地上の固定あるいは移動設置などの異なるプラットフォームに移すことができることである。すなわち、ＬＲＭは、ネットワークをコスト的に効果的に再構成するために、システムの内で、異なる位置において使用することができる。

図１は、複数の衛星１０２の例示的なＭＥＯコンステレーション１００を表す。そこでは、本願発明の複数のＬＲＭが、展開される。図示の通り、８つの衛星１０２（エイトボール・コンステレーション）が、地球のバンドの、特に赤道軌道のまわりでの連続的カバーを提供するために、配置され、そして、一緒にネットワーク化される。８つの衛星が、例として、本願発明は、８つの衛星に制限されるものではなく、異なる数、例えば、４、１２、１６または、他の数の衛星を、衛星毎により多くカバーするため、および／または、冗長目的のために、使用することができることが示されているけれども、ＭＥＯコンステレーションの各々の衛星は、衛星間レーザー通信（ＩＳＬ）光学リレーとして機能しているＬＲＭを使用して、（例えば、２つの隣接したものだけが可視である最小のフォアボールのコンステレーションを除いて、４つ以上の）複数の最も隣接したものに光学的に結合している。いくつかの実施形態において、円偏光またはスペクトル多様性が、望遠鏡毎にデュアル光信号パスを提供するために、使用される。いくつかの実施形態において、円偏光が、送信信号を受信信号から分離するために使用される。

異なるスペクトル領域を、ネットワーク・チャネル割当ての複雑性に対する最小の影響で、ＩＳＬ光学望遠鏡毎に４つ以上のパスを可能にするために、使用することもできる。ＩＳＬ光学望遠鏡は、リング（コンステレーション）から衛星を追加する、または、取り除くこと（すなわち、コンステレーションにおける衛星の数の変化）、および、現在使用中の衛星をリフェーズすることに適応するために、光通信の異なる角度を可能にする（異なる角度に適応する）ために、それらの仰角を調節する能力がある。

例えば、コンステレーションに乗り出している新規の衛星の場合には、軌道を修正し、そして、衛星間および地上間光通信（望遠鏡）を再構成するための１つ以上のコマンドを、例えば、地上サイトにおけるグラウンド望遠鏡から各々の衛星に送信する。

いくつかの実施形態において、各々の衛星は、アップ／ダウン・リンク光学望遠鏡を使用して複数の地上サイトに接続している。例示的な最小限の可能な構成は、衛星毎に単一のアップ／ダウン・リンク望遠鏡であり得る。しかしながら、複数の望遠鏡は、ネットワークの全体的な能力を増加し、より大きな収入源を提供する。ホスト衛星は、少なくとも４つのアップ／ダウン・リンク望遠鏡を容易にサポートすることができるが、しかし、６つ、あるいは、８つの望遠鏡が、いくつかの実施形態において、所望され得る。接続は、少なくとも１つのアップ／ダウン・リンク望遠鏡は、コンステレーションにおける以前の衛星からのグランド接続が、いつ、終わりに近づいていても、自由であるようにスケジュールされる。これは、ネットワークが、古いものを破壊する前に、新規の接続を確立することを可能にする。すなわち、「メーク・ビフォア・ブレーク（Ｍａｋｅ−Ｂｅｆｏｒｅ−Ｂｒｅａｋ）」スキームである。

地上のサイト・ダイバーシティーが、例えば、関連した地上ゲートウェイの数百キロメートル以内にあるような、互いに比較的近接した複数（二つ以上）の端末（地上光学望遠鏡）で天候による停止を軽減するために使用される。これらの地上端末／望遠鏡のうちの２つが、パスに対して予測された雲のない照準線の可能性に基づいて、地上サイトに光学的に接続した衛星のパスごとに選択される。これらの２つの地上端末は、衛星の上の別々のアップ／ダウン・リンク望遠鏡によって追跡することができる。しかし、単一望遠鏡により同時に両方の地上端末をカバーするのに十分に大きな視野を有する二重追尾方式を利用することも、また可能である。いくつかの実施形態において、二重偏波が、空間分離が不十分であるときに、２つの地上端末からの信号の間で区別する１つのアプローチとして使用される。いくつかの実施形態において、異なるスペクトル帯を、ビーコンに対して使用することができる。

それに加え、古いものが壊れる前に、衛星コンステレーションが地上サイトを通過するときに新規の接続を確立することができるように、各々の地上サイトは、少なくとも２つのアップ／ダウン・リンク望遠鏡を有する。このように、衛星コンステレーションは、モニタリング、および、単一ゲートウェイ／サイトをサポートする別々の地上端末の間でのリアル・タイム・スイッチングを用いてサイト・ダイバーシティーを用いて高可用性を有する。パスの間に、アップ／ダウン・リンク望遠鏡は、連続的、リアル・タイムに、光学的ビーコンを用いて両方の現在の地上サイト／端末を追跡し、そして、最も明瞭な照準線を有するものへのデータを送信する。互いに比較的近接した複数の（例えば、２つ以上の）地上端末は、共用ゲートウェイと有線または無線の、電気または光通信スキームを介して直接に通信する。例えば、ゲートウェイは、ローカル高速インターネット網にマルチ接続を有するキャリア・ホテルでまたは他のサイトに位置することができる。

いくつかの実施形態において、地上端末の各々は、１つ以上の衛星において光学ビームを操作するために望遠鏡およびアンテナ・システムを含む。いくつかの実施形態において、地上設置のジンバル・レーザー通信端末／望遠鏡は、各々のパスの間、個々の衛星を追跡する。いくつかの実施形態において、ネットワーク・オペレーション・センターは、古いものがドロップされる前に、衛星が地球を軌道に乗って回るときに、新規の接続を作るために余分のリンクを使用して所望の地上サイトの間で連続的接続性を維持するためにデータパスを構成するように１つ以上のスイッチ・コマンドをアップ送信する。

図２は、本願発明のいくつかの実施形態にしたがう、クロス・リンクおよびアップ／ダウン望遠鏡を含む衛星ペイロード２００の例示的なレイアウト・ビューである。図示の通り、複数の衛星間（クロス・リンク）望遠鏡２０４ａー２０４ｃ（この例示的な図に示される４つ）は、衛星間光通信のための各々の衛星の外部分の上にインストールされる。この例において、望遠鏡２０４ａおよび２０４Ｂは、衛星の右サイドに位置し、その右サイドの最も近く隣接する衛星の１つ以上と通信する。例えば、２０４ａは、そのサイドの最も近い近接衛星（すなわち、隣接した衛星）を指して、通信し、２０４ｂは、そのサイドの次に近い近接衛星（２つ離れた衛星）を指して、通信する。同様に、望遠鏡２０４ｃおよび２０４ｄは、左サイドに位置し、そして、その左サイドの最も近い隣接衛星の１つ以上と通信する。クロス・リンク望遠鏡の各々は、隣接の衛星との光通信を調整するために、および／または、そのコンステレーションに追加された新規の衛星の場合には、新規の衛星との新規の光通信を確立するために、選択的に操作することができる。すなわち、衛星間光リンクは、それぞれの衛星を冗長ネットワークにおいて接続する。

いくつかの実施形態において、クロス・リンク望遠鏡２０４ａー２０４ｄは、コンステレーションにおける近隣衛星を追跡するために可調仰角セッティングを含む。いくつかの実施形態において、２つの最も隣接するものと、２つの次に最も隣接するものとが、衛星間通信に利用される。ビーム操作ミラーが、ホスト衛星ジッターとわずかな軌道差異を補償するために使用される。仰角調整は、コンステレーションとコミュニケーション・リングに衛星を追加する、および、ドロップするのには、あまり使用されない。クロス・リンク望遠鏡が共用リソースであるので、いくつかの方法が、信号をクロス・リンクに結合し、次に、伝送の後にデータを分離するのに偏光および粗波長分離を使用するために適切である。いくつかの実施形態において、４つ以上の信号束が、同一のクロス・リンク望遠鏡をシェアする。

加えて、地上通信およびサイト・ダイバーシティーのために各々の衛星の外部分の上でインストールされた複数のアップ／ダウン・リンク望遠鏡２０６ａー２０６ｇが存在する（この例示的な図では、６つが示される）。同一の衛星または接続された衛星のいずれかの別のアップ／ダウン・リンク望遠鏡が、接続の反対側に対して使用される。いくつかの実施形態において、アップ／ダウン・リンク望遠鏡２０６ａー２０６ｇは、ジンバルで支えられた望遠鏡、または、地上サイトを追跡し、広帯域リンクを確立するために、各々の衛星の上にシーロスタットを有する望遠鏡である。いくつかの実施形態において、ＤＷＤＭ（Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）が、各々の地上サイトとの帯域幅リンクにおいて双方向１００Ｇｂｐｓ（または、それ以上）を提供するために、使用される。偏光および／またはスペクトル多様性が、また、２つのデータ・ストリームを分離するために使用される。サイト・ダイバーシティーが、照準線の中の雲による停止を減少するために使用される。各々の望遠鏡は、中心ポイントの半径１００ｋｍ内の２つの受信グラウンド望遠鏡の追跡を維持するために二重内蔵ステアリング・ミラーを有する。これは、ジンバルまたはシーロスタットによって追跡される。これら２つの地上望遠鏡は、各々の衛星パスの前のより大きなセットから選択することができる。

いくつかの実施形態において、アップ／ダウン・リンク望遠鏡は、地上サイトを追跡するためにジンバルのまたはシーロスタットを使用する（たとえば、およそ１５−２０ｃｍの直径アパーチャの）小さな光学望遠鏡である。多重のビーム・ステアリング・ミラーおよびコントロール・ループは、各々のアップ／ダウン・リンク望遠鏡が、同時に、地上サイトの半径１００ｋｍ内の２つの端末を追跡することを可能にする。これは、利用可能な端末のより大きなリストから、各々のパスに関して選択することができる。いくつかの実施形態において、グラウンド光学望遠鏡は、より大きく、例えば、名目上１００ｃｍの直径である。これは、これらの大きな望遠鏡からのビームを操作するためのオプションとしてシーロスタットを除去することができるいくつかの実施形態において、衛星間リンクが、より大きな、例えば、およそ３０ｃｍの、ＬＲＭのバージョンによって確立される。ク最も近い隣接接続のために使用されたロス・リンク望遠鏡は、ハードウェアの残りを同一に保ち、ペイロードの量を減少するために、もっと遠くの次に最も近接するものに対して使用されたものより小さいことができる。いくつかの実施形態において、すべてのＬＲＭｓをスケールの経済を最大にし、経常外の開発エンジニアリング・コストを下げるために同一にしておくことは、望ましい。

各々の衛星の光学オンボード・ハードウェア（ペイロード）は、複数の光学プレ・アンプ２１２、光学スイッチ・マトリクス２０８、１つ以上のメイン・アンプ２１０、複数のパワー・アンプ２１６、ＣＣ＆Ｔ（Ｃｏｎｔｒｏｌ， Ａｎｄ Ｔｅｌｅｍｅｔｒｙ）サブシステム２１４、および、電源２１８を含む。いくつかの実施形態において、光学プレ・アンプ２１２およびパワー・アンプ２１６は、各々のレシーバにおいて、許容できる信号対雑音比（ＳＮＲ）またはビット毎光子を提供するように許容できるクロス・トークおよび十分な全体的増幅を有する固定数（たとえば、１０）の独立した１０Ｇｂｐｓのチャネルをサポートする。他の実施形態においては、レーザー・ポンプ・パワーは、アンプ毎のチャネルの数は、帯域幅に対する異なる要求に対応して調節することができるようにスケーラブルである。これらのアンプは、エルビウムドープトファイバー増幅器（ＥＤＦＡｓ：Ｅｒｂｉｕｍ−Ｄｏｐｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）、平面導波路（ＰＷＧｓ：Ｐｌａｎａｒ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ）、ラマン増幅器、半導波型高アスペクト比コア（ＳＨＡＲＣ：Ｓｅｍｉ−Ｇｕｉｄｉｎｇ Ｈｉｇｈ Ａｓｐｅｃｔ Ｒａｔｉｏ Ｃｏｒｅ）ファイバー・レーザー増幅器、他のテクノロジー、または、それらの組合せであることができる。種々の光アンプのいくつかの組合せは、多段階光アンプとしてパッケージすることができる。

複数の衛星の各々は、光信号を電気信号に変換することなく出入光信号の光学的処理およびスイッチングのための光学回路／ハードウェアを含む。オンボード・ハードウェアは、地上および／または１つ以上の隣接衛星からの入力の光データ・ストリームを受信し、光学的に、それを再生し、それを所望の（選択された）出力されたパスに向けるために光スイッチを使用し、そして、その最終的な行先（地上および／または１つ以上の隣接衛星）の方へそれを送信する。入力光データ・ストリームの再生は、（光学プレ・アンプ２１２、メイン・アンプ２１０とパワー・アンプ２１６による）すべて光学ドメインでの再増幅を含む。すなわち、光データ・ストリームの増幅は、各々の衛星ペイロードの中において全く電気信号に変換することなく、そして、データ変調スキームに透過的に達成される。オンボード・ハードウェアは、Ｃ周波数帯、Ｌ周波数帯と他の光学周波数帯で動作し、そして、光データ・ストリームを再構築して、再段階的に実行することができる。

いくつかの実施形態において、高密度波長分割多重（ＤＷＤＭ：Ｄｅｎｓｅ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）でのおよそ５０ＧＨｚのチャネル・セパレーションが、少なくとも８０の１０ＧＨｚのチャネルを提供するように使用される。しかしながら、（より複雑な変調スキームを使用する）より多くのチャネルと、チャネル毎のより高い帯域幅が、可能であり、また、本願発明の範囲の中にある。光スイッチ・マトリックス２０８は、各々の光学入力を、任意の他の出力チャネルに光学的に結合することを可能にする。いくつかの実施形態において、光スイッチ・マトリックス２０８は、チャネルの全ての束を含む各々の入力において受信するどんな信号でもスイッチすることができる。いくつかの実施形態において、逆多重化、個々のチャネル・レベルにおけるスイッチング、および、再多重化が、個々のチャネルをスイッチすることを可能にするために実行される。オンボード光スイッチ・マトリックス２０８は、また、衛星コンステレーションが地上サイトを通過するときに、ネットワーク光学パスを確立して、更新するのを可能にする。

１つ以上のメイン・レーザー２１０は、各々の衛星で、各々の衛星の上の光信号の増幅チェーンの部品として使用される。いくつかの実施形態において、チャネルが、すべてが一緒に多重化されている場合、メイン・アンプは、最終的なパワー・アンプと同じくらい多くのパワーを要求することができる。各々の接続がそれ自身の増幅チェーンを有する他の実施形態においては、そのメイン・アンプは、最終的なパワーアンプより顕著に少ないパワーを要求する。光信号処理ハードウェアのより詳細な説明が、出願中で、共通所有の米国特許出願番号第１３／５４９１９１号において開示されている。そのコンテンツの全体が、ここに、明確に、参照により組み込まれる。

図３は、本願発明のいくつかの実施形態にしたがう、例示的なレーザー・リレー・モジュールに対する簡略ブロック図である。例示的なレーザー・リレー・モジュールのうちの１つ以上が、たとえば、衛星、空中、地上および／または水上プラットフォームなど、光通信ネットワークのネットワーク・ノードとして使用することができる。図示の通り、光学望遠鏡３０２が、例えば、光学ビーム３０１ａと３０１ｂよを、それぞれ、受信および送信するための１つ以上のジンバルなど操縦可能なマウント３１２に搭載される。光学ダイプレクサ３０８は、送信・受信光学ビームを分離し、そして、光アンプ３１０は、受信した光学ビームの信号レベルを、送信ビームの所定のレベルに復活させる。

いくつかの実施形態において、光学ダイプレクサ３０８は、自由空間光学要素とファイバー光学要素との組合せであることができる。例えば、光学ダイプレクサは、自由空間からの信号ビームをファイバー・トランスポートに変換することができる。いくつかの実施形態において、光学ダイプレクサ３０８は、送信・受信光学ビームを分離するために、分極、波長、および、ビーム伝播方向の組合せを使用するように構成される。いくつかの実施形態において、光アンプ３１０は、多重段の光学増幅、または、低ノイズ増幅および大信号増幅に対して最適化される別々の光増幅器を含む。

ビーコン・ソース３０４として簡略な形で示される変調されたビーコン・レーザーは、複数の通信リモート・ネットワーク・ノードの照準線コントロールに、また、他のネットワーク・ノードへの、ステータス、システム管理およびテレメトリー・データの光伝送に使用される。ビーコン・レーザーは、直接変調されることができる、または、外部要素で変調される連続波レーザー（ＣＷレーザー）である（図示せず）。さらに、ビーコン・ビーム検出器３０４は、前記光学望遠鏡の照準線コントロールに対する着信光ビームを検出し、他のネットワーク・ノードから、ステータス、システム管理およびテレメトリー・データを受信する。いくつかの実施形態において、ビーコン・ビーム検出器３０４は、象限検出器、焦点面アレイまたは光章動を用いて受信ビーコン・ビームの到来角を決定する。

ビーコン挿入／収集モジュール３０６は、別のネットワーク・ノードへ伝送するために、変調されたビーコン・レーザーの出力を光学望遠鏡３０２へ挿入する。ビーコン挿入／収集モジュール３０６は、また、光学望遠鏡における着信ビーコン光ビーム３０１ａを収集し、着信ビーコン光ビームを、ビーコン検出器３０４に、搬送する。いくつかの実施形態において、ビーコン挿入／収集モジュール３０６は、送信光学的ビーコンを光学望遠鏡に挿入するために、そして、光学望遠鏡から受信した光学的ビーコンを抽出するために使用される、自由空間光学要素とファイバー光学要素との組み合わせを使用する。

図４は、本願発明のいくつかの実施形態にしたがう、いくつかのレーザー・モジュールを制御のための簡略ブロック図である。図示の通り、ｎ ｘ ｎ光スイッチ４０４が、ｎ個のＬＲＭｓ４０２の間での接続をコントロールする。光スイッチは、他の出力ポートのいずれかがどのように接続しているかを気にすることなく、任意の入力ポートを、任意の使用していない出力ポートに接続することができるように、ノンブロッキングである。いくつかの実施形態において、光スイッチは、２×２の光スイッチのアレイから構築され、全体的な接続が達成されるように、より大きなユニットのコントロールは、より単純な光スイッチの全てをセットすることを含む。いくつかの実施形態において、この光スイッチは、任意の（ｎ個の）ＬＲＭｓによって受信された信号を伝達のために任意の２つ以上のＬＲＭにルーティングすることができるように、構成することができる。多重の送信パスが、送信ビームの、天気または他の妨害物を避けるために望ましい。

図５は、本願発明のいくつかの実施形態にしたがう、レーザー・リレー・モジュールのペイロード構成の図である。単純さの理由のために、レーザー・リレー・モジュール（ＬＲＭ）１は、受信モードの中で表され、ＬＲＭ ｎは、伝送モードで表される。図示の通り、受信信号はＬＲＭ望遠鏡５０２に入り、それは、地上からのビーム送信の部分を収集し、他のコンポーネントにより簡単にルーティングできるように、信号ビームのサイズ（直径）を減らす。望遠鏡の後で、信号ビームは、高速ステアリング・ミラー５０４から反射し、それは、光ビーム信号の精密ポインティングおよびベース動作外乱に対して調整する。いくつかの実施形態において、ビーコン収集機能は、ビーム信号を安定させるのに用いられる検出器５４２にビーコンをルーティングするダイクロイック・ビーム・スプリッター（ｄｉｃｈｒｏｉｃ ｂｅａｍ ｓｐｌｉｔｔｅｒ）５０６により実行することができ、また、符号化されたコマンド信号を受信するように構成される。

いくつかの実施形態において、光学ダイプレクサは、ランダム偏光受信ビームをリニア偏光ビームに変換する四分の一波長プレートを含む。偏光ビーム・スプリッター５１０は、１つの偏光、すなわち、受信ビームを通過させ、反対の変更、送信ビームを反射するように設計されている。この点において、ビームは、自由空間（空気または真空を通した伝送）から、ファイバー空間（光ファイバーによる伝送）に変換されるこれは、光ファイバー入力フィッティングを含む受信コリメーター５１２によってなされる。光ファイバー・ケーブルは、例えば、２軸ジンバル５１４から光プレ・アンプ５１６の形をとる操縦可能なマウントからのビームをルーティングする。いくつかの実施形態において、光学プレ・アンプ５１６は、信号ルーティングを通して伝送し、そして、アセンブリをコントロールするために、信号強度を相当なレベルへ増加するように複数のゲイン段を含み、良い信号強度をもってリターンする。光学プレ・アンプ５１６は、また、大気のシンチレーションによる可能性がある入力信号における変化を計算するために、また、ほぼ定常的な電力レベルを出力するために、自動ゲイン・コントロールを含むことができる。

プレ増幅の後、または、増幅段の１つの間で、プログラム可能なノッチ・フィルター５１８が、できるだけ多くのノイズを除去するために使用される。すなわち、動作帯域の間におけるノイズを取り除くためである。この中間帯域ノイズを取り除くことは、ダウンストリーム光学パワー・アンプ５３０の効率を改善する。光学パワー・アンプが、ノイズを増幅していないからである。いくつかの実施形態において、ノッチ・フィルター５１８の後、カプラ５２０は、信号を分割し、２つ以上の光スイッチ５２２および５２４に送信する。スイッチ５２６は、ビーム信号を任意の命じられた出力チャネルにルーティングし、一方、スイッチ５２４は、空間多様性のためにビーム信号を代替パスにルーティングする。いくつかの実施形態において、別のカプラ５２６は、どちらのスイッチからの出力でも、システムの次のノードへの伝送のためにプラットフォーム上の任意のＬＲＭに送信することを可能にする。

パワー・アンプ５３０は、その信号の信号強度を、１チャネルにつき数ワットまで増加させることができる。このパワー・アンプ５３０は、また、搬送の長さとタイプに依存して、信号強度を調節するゲイン制御回路を含む。ビーコン・レーザー５４４は、照準線コントロールのためにビームを生成する。ビーコンは、また、低レート・コマンドおよびコントロール信号に対して使用される。いくつかの実施形態において、通信信号は、レーザ・ビームを変調すること５４６によってつくられる。いくつかの実施形態において、ビーコンおよび主要コマンド信号は、カプラ５３２で結合され、ジンバル５１４の上で、ビームを自由空間搬送に変換するコリメーター５３４にルーティングされる。リード・アヘッド・ミラー５３６は、プラットフォームが、送信／受信の往復の間に、動く距離を計算するために使用される。ビームは、光学ダイプレクサ５３８と５４０とにおいて、受信ビームと整列し、ＦＳＭ５０４から反射し、そして、望遠鏡５０２から出る。

図６は、本願発明のいくつかの実施形態にしたがう、レーザー・リレー・モジュールの簡略信号ブロック図である。図示の通り、光学望遠鏡６０２は、２次元回転フレキシビリティを提供するために、例えば、２軸ジンバル６０４などの上に搭載される。望遠鏡６０２および操縦可能なマウント６０４は、サポート構造物６０８の上に配置される。このサポート構造物は、ホスト・プラットフォームにインタフェースする。それは、パワー・アンプ６１８以外のすべてのコンポーネントをサポートし、廃熱を放射するために、熱ラジエータとして動作する。光ソーラー・リフレクタ６２２のアレイは、太陽吸着を最小にし、それによって、熱除外能力を強化するためにラジエーター・パネル６２０に配置される。光学パワー・アンプ６１８は、ラジエーター・パネル６２０に搭載される。光学パワー・アンプは、大部分のＬＲＭ入力電力を使用し、したがって、最も多くのラジエータ表面積を必要とする。専用パネル６２０は、光学パワー・アンプが他のコンポーネントに影響を及ぼすことなく冷却されることを可能にする。いくつかの実施形態において、ファブリ・ペロー・フィルタは、自然放射増幅光（ＡＳＥ：Ａｍｐｌｉｆｉｅｄ Ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）の抑制のために使用される。これは、コントロールされないならば、支配的なノイズ項になり得る。

ラジエーター・パネル６２２は、空間視野角を最大にしている間、地球露出を最小にするように方向付けされる。光学パワー・アンプは、所望の伝送のために必要とされた出力ビーム・パワーをセットするようにプログラム可能である。変調されたビーコン・レーザー６１２は、複数の通信遠隔ＬＲＭｓの照準線をコントロールするために、また、例えば、光ネットワークの他のノードの中の他のＬＲＭｓへの、ステータス、システム管理およびテレメトリー・データの光伝送のために、サポート構造物６０８に配置される。ビーコン・ビーム検出器６１０は、望遠鏡６０２に接続され、そして、ジンバル６０４と共に動く移動光学アセンブリ６０６に配置される。

ビーコン検出器は、光学望遠鏡６０２の照準線コントロールのために、また、他のネットワーク・ノードから、ステータス、システム管理およびテレメトリー・データを受信するために、着信光ビームを測定する。プログラム可能なノッチ・フィルター６１４は、さもなければシステム効率を減らすノイズを取り除くために使用される。いくつかの実施形態において、移動光学６０６は、ダイクロイック、ビーム・スプリッター、ファイバー光学コリメーター、高速ステアリング・ミラー、および、図５においてより明確に示されるリード・アヘッド・ミラーを含む。望遠鏡６０２は、ウィンドウ６２４およびデフレクタ６２６によって保護されている。ウィンドウ６２４は、望遠鏡に入る帯域外エネルギーを最小にするソーラー除去フィルタを含む。デフレクタ６２６は、ウィンドウと望遠鏡の、太陽、地球、および、空間熱負荷（ｓｐａｃｅ ｔｈｅｒｍａｌ ｌｏａｄｉｎｇ）への直接の露出時間を減らす。望遠鏡ジンバル・アセンブリは、それを温度変化に敏感にしないように一般の材料から構築される。ジンバル６０４軸の構成は、打ち上げ、または、輸送のためにしまい込むこと、所望の地上位置にポインティングを有効にし、または、いかなる構成変更もなしでコンステレーションの他の衛星をポイントするためにコントロール停止なしで１８０度フルにポイントすることを可能にする。いくつかの実施形態において、その望遠鏡は、光波長の範囲が歪み無く、または様々な損失無く伝送されることを可能にするように反射する。ＬＲＭパッケージは、光学リレー・デバイスとして完全に機能するスタンドアローン・アセンブリをつくるのに必要なボリュームを最小にする。

本願発明の実施形態にしたがう、宇宙空間におけるすべて光学リレーのインプリメンテーションは、ペイロードのサイズ、重量および電力を減らす。スイッチングの複雑性の様々のレベルを有する宇宙空間における光スイッチは、完全に透明は、あるいは、完全にフレキシブルな世界規模のネットワーク接続性を可能にする。複数の衛星間リンク望遠鏡の使用は、ネットワーク冗長性を追加し、一方、これらの望遠鏡への仰角調整メカニズムの追加は、新規の衛星を任意の時点で追加すること、そして、欠陥のある衛星をネットワークから取り除くことを可能にする。複数のアップ／ダウン・リンク望遠鏡の使用は、各々の衛星が、責任をもつその移動領域の中の複数の地上サイトをサポートするのを可能にする。一方、各々の望遠鏡の視野の中での、二重照準線コントロール・ループの使用は、雲の影響を減らすために、ローカル・エリア・サイトダイバーシティーを追加する。すなわち、各々のアップ／ダウン・リンク望遠鏡は、同時に２つのローカル・エリア・サイトを追跡することができ、そして、よりくっきりした照準線を有するものがどれであれ使用することができる。

更にまた、本願発明の光学オンボード・ハードウェアは、入力ビット・ストリームの透明なリレーを提供し、そして、ホスト衛星の動作寿命にわたり標準のおける進化と改訂に対応する。光学ベント・パイプは、いかなる標準からも独立しており、したがって、標準のどんな変化でも、地上ハードウェアの中での変更によって対応するからである。

種々の修正を、本願の広い発明の進歩性に逸脱することなく、上述した本願発明の図示された、また、他の実施形態に行うことができることは、当業者によって認識される。したがって、本願発明は、特定の実施形態、または、開示された構成に限られておらず、むしろ、添付の特許請求の範囲によって定義されるように、本願発明の範囲と要旨の内であるどんな変化、適応または修正をもカバーすることを意図するものであることが理解される。

Claims (20)

1. 光学ビームを受信し、送信するための操縦可能なマウント上に搭載された光学望遠鏡と、
   送信し受信された光学ビームを分離するための光学ダイプレクサと、前記受信した光学ビームの信号レベルを、送信ビームの所定のレベルに復元するための光増幅器と、
   複数の通信リモート・ネットワーク・ノードの照準線コントロールに対する、および、ステータス、システム管理、および他のネットワーク・ノードへのテレメトリー・データの光伝送に対する、変調されたビーコン・レーザーと、前記光学望遠鏡の照準線コントロールに対する着信ビーコン光ビームを検出し、そして、ステータス、システム管理、および、他のネットワーク・ノードからのテレメトリー・データを受信するためのビーコン・ビーム検出器と、
   前記変調されたビーコン・レーザーの出力を前記光学望遠鏡に挿入するための、別のネットワーク・ノードへ伝送するための、および、前記光学望遠鏡において前記着信ビーコン光ビームを収集し、前記ビーコン検出器に前記着信ビーコン光ビームを搬送するための手段と、
   を備える、自由空間光通信のためのレーザー・リレー・モジュール。
2. 前記光学ダイプレクサは、自由空間光学要素およびファイバー光学要素の組合せである、請求項１に記載のレーザー・リレー・モジュール。
3. 前記光学ダイプレクサは、前記送信・受信光学ビームを分離するために、分極、波長、および、ビーム伝播方向の組合せを使用するように構成される、請求項１に記載のレーザー・リレー・モジュール。
4. 前記光増幅器は、光学増幅の複数ステージを含む、または、低ノイズ増幅と大信号増幅のために最適化された別々の光増幅器を備える、請求項１に記載のレーザー・リレー・モジュール。
5. 前記ビーコン・レーザーは、直接変調される、または、外部要素で変調される連続波レーザーである、請求項１に記載のレーザー・リレー・モジュール。
6. 前記ビーコン検出器は、象限検出器、焦点面アレイまたは光章動を用いて前記受信ビーコン・ビームの到来角を決定する、請求項１に記載のレーザー・リレー・モジュール。
7. 前記送信し受信した光学ビームに対して異なる波長において複数の通信チャネルを提供するために、波長分割多重化の手段を更に備える請求項１に記載のレーザー・リレー・モジュール。
8. 光増幅器効率を改善し、信号対雑音比を改善するための１つ以上の光学フィルターを更に備える請求項１に記載のレーザー・リレー・モジュール。
9. 前記１つ以上の光学フィルターは、異なる波長において複数の光チャネルの間から光学雑音を取り除くように構成される、請求項８に記載のレーザー・リレー・モジュール。
10. 前記レーザー・リレー・モジュールは、衛星、空中の、地上の、または、水上のプラットフォームに搭載される、請求項１に記載のレーザー・リレー・モジュール。
11. 太陽吸着を最小にするためにラジエーター・パネルに配置された光学ソーラー・リフレクタのアレイを更に備える請求項１に記載のレーザー・リレー・モジュール。
12. 廃熱を放散させるために、熱放射体として動作するように構成されるサポート構造物を更に備える請求項１に記載のレーザー・リレー・モジュール。
13. 前記光増幅器は、ラジエーター・パネルに搭載された光学パワー・アンプを含む、請求項１に記載のレーザー・リレー・モジュール。
14. 前記ラジエーター・パネルは、空間視野角を最大にしている間、アース露出を最小にするように方向付けられる、請求項１３に記載のレーザー・リレー・モジュール。
15. 前記光学パワー・アンプは、必要とされる出力ビーム・パワーをセットするようにプログラム可能である、請求項１３に記載のレーザー・リレー・モジュール。
16. 前記光学パワー・アンプは、前記光学パワー・アンプが、他のコンポーネントに影響を及ぼすことなく冷却されることを可能にする専用パネルに搭載される、請求項１に記載のレーザー・リレー・モジュール。
17. 自然放射増幅光（ＡＳＥ）を抑制するように構成されるファブリ・ペロー・フィルタを更に備える請求項１に記載のレーザー・リレー・モジュール。
18. 前記光学望遠鏡は、ダイクロイクス（ｄｉｃｈｒｏｉｃｓ）、ビーム・スプリッター、ファイバー光学コリメーター、高速ステアリング・ミラー、および、リード・アヘッド・ミラーを含む、請求項１に記載のレーザー・リレー・モジュール。
19. 前記変調されたビーコン・レーザーは、複数の通信遠隔ＬＲＭの照準線を制御するために、および、ステータス、システム管理、および、他のＬＲＭへのテレメトリー・データの光伝送のために、支持構造物に配置される、請求項１に記載のレーザー・リレー・モジュール。
20. 前記ビーコン・ビーム検出器は、前記光学望遠鏡に接続され、前記操縦可能なマウントと共に動くように構成された、伝達光学アセンブリに配置される、請求項１に記載のレーザー・リレー・モジュール。

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