KR20170048427A

KR20170048427A - 고대역 자유 공간 광통신을 위한 전기-광학 페이로드

Info

Publication number: KR20170048427A
Application number: KR1020177007894A
Authority: KR
Inventors: 개리 디. 콜먼; 윌리엄 제이. 미니스칼코; 에반 제이. 매튜스
Original assignee: 레이데온 컴퍼니
Priority date: 2014-08-26
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2017-05-08
Also published as: US9379815B2; EP3186902A1; WO2016032622A1; EP3186902B1; CA2957996A1; JP2017531368A; CA2957996C; US20160065308A1; KR101976549B1

Abstract

자유 공간 광통신을 위한 전기-광학 페이로드는: 인입하는 광신호의 각각의 광신호를 각각 수신하기 위한 복수 개의 광빔 확장기; 각각의 광입력 신호를 각각의 광출력 신호로 지향시키기 위한 광학적 교차-연결 스위치; 전기 신호를 상기 광학적 교차-연결 스위치에 입력되기 위한 광신호로 변환하기 위하여, 상기 광학적 교차-연결 스위치의 입력에 연결되는 전기-광학 변환 회로; 상기 광학적 교차-연결 스위치로부터 출력된 광신호를 전기 신호로 변환하기 위하여, 상기 광학적 교차-연결 스위치의 출력에 연결되는 광학-전기 변환 회로; 및 상기 광학적 교차-연결 스위치의 광출력 신호를 전기 신호로 변환하기 위해, 상기 광학적 교차-연결 스위치의 출력에 연결된 제 2 광학-전기 변환 회로 및 상기 광학적 교차-연결 스위치의 입력에 연결된 제 2 전기-광학 변환 회로를 포함하는 전기적 재생성 회로를 포함한다.

Description

고대역 자유 공간 광통신을 위한 전기-광학 페이로드{ELECTRO-OPTICAL PAYLOAD FOR HIGH-BANDWIDTH FREE SPACE OPTICAL COMMUNICATIONS}

본 발명은 광통신 시스템에 관한 것이고, 특히 이러한 광통신 시스템용 레이저 변환 모듈에 관한 것이다.

전세계에 걸쳐, 개발도상국에서는 인터넷 월드와이드의 사용이 높은 성장률로 증가하고 있다. 그러나, 적도 인접 지역에 위치한 대두되는 많은 비즈니스 센터들은 인터넷으로의 연결성이 열악하다는 단점을 가진다. 통상적으로 이러한 센터들은 국가적인 고대역 네트워크 기반구조가 제한되는 국가에 위치되어 있고, 가끔은 개발되지 않은 지형으로 둘러싸여 있어서 지상 및 해저로 케이블을 연결하는 것이 비실용적이다.

그럼에도 불구하고, 이러한 국가에서는 인터넷에 대한 고대역 연결성에 대한 수요가 여전히 존재한다. 가장 빨리 성장하고 있는 시장 중 다수는 적도에 인접하기도 하고 해저 케이블을 통해 열악하게 연결되기도 한다. 더 큰 국가 중 일부에서는, 내부 네트워크 기반구조가 상대적으로 구형이다. 더욱이, 자연 재해도 역시 연결을 방해할 수 있으며, 재난 지역을 재연결시키기 위하여 통신 네트워크를 재구성할 수 있다면 매우 가치있는 능력이 될 수 있다. 서비스가 평균에 미치지 못하는 시장에 추가하여, 중요하고 성장하는 도매 대역폭(wholesale bandwidth)의 주된 전세계 원격통신 캐리어(global telecom carrier)는 서비스 품질 약속을 지키기 위해서 백업 및 교체 대역폭을 필요로 한다.

GEO(Geostationary Earth Orbit) 통신 위성은 성질상 높은 레이턴시를 가지는 반면에, 다른 위성 통신 네트워크는 범세계적 연결성이 제한된다는 것, 대역폭이 낮다는 것, 또는 비용 문제 중 일부를 겪게 된다. GEO 위성은 위성 당 지구의 비교적 넓은 부분이라는 커버리지를 제공하지만, 통신 경로가 길어서 경로당 적어도 120 msec의 신호 레이턴시가 생기게 된다. 더욱이, 라우팅을 제공하려면 여러 번 신호가 반사(bounce)돼야 할 수 있고, 동일한 위성의 풋프린트 내에 있지 않는 지상 사이트들 사이의 연결을 위해서는 지상 연결이 필요할 수도 있다.

최근에, MEO(Medium Earth Orbit) 위성들의 성좌(constellation)가, MEO 위성의 중복적으로 연결된 링(ring)을 지상 사이트들의 네트워크로 링크시킬 수 있는 공간 플랫폼에서의 광학적 릴레이에 대한 필요성을 만족시키도록 설계되어 왔다. MEO 위성들의 이러한 성좌는 투명하게 그리고 광학적 포맷 및 변조 기법과 무관하게 이것을 수행할 수 있다. 각각의 위성 상의 통신 릴레이 페이로드는, 임의의 고장 위성을 네트워크가 네트워크 밖으로 폐기시키도록 신속하게 재구성할 수 있기 때문에, 성좌의 성장을 지원하도록 구성된다. 그러나, 이러한 광통신 릴레이 페이로드와 아키텍처는 많은 양의 데이터를 하나의 지상 사이트(라이트웨이(Lightway))로부터 공중을 통해 다른 라이트웨이로 전송하는 것에 대해 최적화되며, 데이터를 라이트웨이로부터 위성으로 업링크하거나 데이터를 위성으로부터 라이트웨이로 다운링크하는 기능을 가지지 않는다. 본 발명은, 필요할 경우 레이저 릴레이 위성(laser relay satellites; LRSs)이 레이저 및 전기적(예를 들어, RF) 링크 양자 모두를 통해 다른 위성과 통신하게 한다.

일부 실시예에서, 본 발명은 자유 공간 광통신을 위한 전기-광학 페이로드이다. 이러한 전기-광학 페이로드는: 인입하는 광신호의 각각의 광신호를 각각 수신하기 위한 복수 개의 광빔 확장기; 각각의 광입력 신호를 각각의 광출력 신호로 지향시키기 위한 광학적 교차-연결 스위치; 전기 신호를 상기 광학적 교차-연결 스위치에 입력되기 위한 광신호로 변환하기 위하여, 상기 광학적 교차-연결 스위치의 입력에 연결되는 전기-광학 변환 회로; 상기 광학적 교차-연결 스위치로부터 출력된 광신호를 전기 신호로 변환하기 위하여, 상기 광학적 교차-연결 스위치의 출력에 연결되는 광학-전기 변환 회로; 및 상기 광학적 교차-연결 스위치의 광출력 신호를 전기 신호로 변환하기 위해, 상기 광학적 교차-연결 스위치의 출력에 연결된 제 2 광학-전기 변환 회로 및 상기 광학적 교차-연결 스위치의 입력에 연결된 제 2 전기-광학 변환 회로를 포함하는 전기적 재생성 회로를 포함한다. 전기적 재생성 회로는 전기 신호에 재생성 처리를 수행하고, 처리된 전기 신호를 광학적 교차-연결 스위치로 입력될 광신호로 변환한다. 광학적 교차-연결 스위치로부터 나오는 출력 광신호 중 일부는, 발신 광신호로서 각각의 목적지로 송신되도록 각각의 광빔 확장기에 입력된다.

일부 실시예에서, 본 발명은 자유 공간 광통신용 위성이다. 이러한 위성은 하나 이상의 지상 사이트와의 광통신을 위한 복수 개의 업/다운-링크 광학 망원경; 위성간 위성간 광통신을 위한 복수 개의 위성간 망원경; 및 전기-광학 페이로드를 포함한다. 이러한 전기-광학 페이로드는, 인입하는 광신호의 각각의 광신호를 각각 수신하기 위한 복수 개의 광빔 확장기; 각각의 광입력 신호를 각각의 광출력 신호로 지향시키기 위한 광학적 교차-연결 스위치; 전기 신호를 상기 광학적 교차-연결 스위치에 입력되기 위한 광신호로 변환하기 위하여, 상기 광학적 교차-연결 스위치의 입력에 연결되는 전기-광학 변환 회로; 상기 광학적 교차-연결 스위치로부터 출력된 광신호를 전기 신호로 변환하기 위하여, 상기 광학적 교차-연결 스위치의 출력에 연결되는 광학-전기 변환 회로; 및 상기 광학적 교차-연결 스위치의 광출력 신호를 전기 신호로 변환하기 위해, 상기 광학적 교차-연결 스위치의 출력에 연결된 제 2 광학-전기 변환 회로 및 상기 광학적 교차-연결 스위치의 입력에 연결된 제 2 전기-광학 변환 회로를 포함하는 전기적 재생성 회로를 포함한다.

전기적 재생성 회로는 전기 신호에 재생성 처리를 수행하고, 처리된 전기 신호를 광학적 교차-연결 스위치로 입력될 광신호로 변환한다. 광학적 교차-연결 스위치로부터 나오는 출력 광신호 중 일부는, 발신 광신호로서 각각의 목적지로 송신되도록 각각의 광빔 확장기에 입력된다.

유사한 참조 심볼이 유사한 컴포넌트를 나타내는 첨부 도면과 함께 상세한 설명을 참조하여 본 발명이 잘 이해됨에 따라서, 본 발명은 더 완전하게 이해되고 본 발명의 특징과 양태가 더 명백해 질 것이다.
도 1 은, 본 발명의 일부 실시예에 따른, 광통신을 하는 복수 개의 위성의 예시적인 MEO 성좌를 나타낸다.
도 2 는, 본 발명의 일부 실시예에 따른, 교차 링크 및 상/하 망원경을 포함하는 위성 페이로드의 예시적인 레이아웃을 나타내는 도면이다.
도 3 은 본 발명의 일부 실시형태들에 따르는, 온-보드 하드웨어 시스템에 대한 간략화된 블록도이다.
도 4 는 본 발명의 일부 실시예에 따른, 자신의 입력 및 출력 중 일부에서, 다수 개의 레이저 변환 모듈(LCMs)을 포함하는 예시적인 광학적 교차-연결 스위치에 대한 단순화된 블록도이다.
도 5 는 본 발명의 일부 실시예에 따른, 재생성 기능성을 가지는 예시적인 O-E-O 레이저 변환 모듈(LCM)에 대한 단순화된 블록도이다.

본 발명은 이제, 본 발명의 예시적인 실시예들이 도시되는 첨부 도면을 참조하여 더 충분하게 설명될 것이다. 그러나, 본 발명은 서로 다른 많은 형태로 구현될 수도 있고 본 명세서에서 설명되는 실시예로만 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 오히려, 이러한 실시예들은 본 발명이 철저하고 완전해지도록 제공되는 것이며, 본 발명의 개념을 당업자들에게 완전하게 제공할 것이다.

일부 실시예에서, 본 발명은 자유 공간 광통신 시스템 내의 레이저 릴레이 모듈(LRMs)에 대한 레이저 변환 모듈에 관한 것이다. 온-보드 광학적 및 전기적 하드웨어는 시간이 지나도 구형이 되지 않도록, 광통신 표준의 장래의 진화에 대해서 가능한 한 무관하도록 설계된다. 더 높은 대역을 지원하기 위하여, 지상 하드웨어는 점진적으로 업그레이드될 수 있다. 네트워크는 여러 리던던트 경로와 신속한 재구성 기능을 가지므로 매우 탄력적이다.

LRM의 이러한 디자인은 수 백 개씩 실용적으로 제작될 수 있고, 따라서 규모의 경제에 의해 비용이 절감된다. 각각의 LRM은, 광학적 도메인으로부터 전기적 도메인으로의 신호의 변환이 없이 광학적으로 투명한 모드에서 동작한다. 하지만 광학-전기(O-E) 또는 전기-광학(E-O) 변환이 필요한 애플리케이션들이 존재한다. O-E 및 E-O 변환을 지원하도록 LRM 자체를 변경하는 것보다, 현재는 각각의 레이저 릴레이 위성에 레이저 변환 기능을 필요한 정도로 추가시키는 레이저 변환 모듈(LCMs) 이라 불리는 하나 이상의 작은 전자 박스를 추가시키고 있다.

LRM에 제한된 O-E 및 E-O 변환 회로/기능을 추가하면 네트워크 동작이 더 탄력적이 되고 더 강건해진다. 이것은 네트워크에 걸쳐 있는 더 긴 경로를 지원하는 경우에 특히 그러한데, 이러한 경우 신호-대-잡음 비(SNR)는 더 완전한 재생성을 위해 to를 지상으로 전송하지 않으면서 원하는 비트 에러 레이트(BER)를 제공하기에 부적절할 것이다. 또한, 변환 회로는 LRM가, 예컨대 데이터를 심도(deep) 공간 프루브로부터 지구로 릴레이하는 것과 같은 다양한 임무에서 사용될 수 있게 하는데, 그렇지 않으면 노이즈가 누적되어 BER을 저하시킬 것이다.

또한, LCM은 네트워크가 해당 네트워크 내의 위성으로부터의 데이터 다운링크와 위성으로의 데이터 전달을 지원하게 한다. E-O LCM은 데이터 송신을 위해 하나의 LRM으로 라우팅된 채널로 추가되는 광신호를 생성하기 위하여 사용될 수 있다. 이와 유사하게, O-E LCM은 광신호를 온-보드 위성에서 처리되고, 후속 사용을 위해 저장되며, 또는 RF 통신 하드웨어를 사용하여 통신될 수 있는 전기 신호로 변환하기 위하여 사용될 수 있다. 그 사이에 전기 신호 재생성 하드웨어를 두고 O-E LCM을 E-O 버전과 결합함으로써, 재증폭(reamplification), 재성형(reshaping), 및 리페이징(rephasing)이 있는 풀 3R 재생성을 수행할 수 있게 된다. 이러한 3R 재생성은 매우 높은 SNR 신호를 재생성하고, 채널내 노이즈가 누적되는 것을 리셋한다. 순방향 에러 정정(FEC)이 재생성 도중에 포함되면, 비트 에러는 해당 프로세스의 일부로서 정정될 수 있다. 이러한 기능을 LRS에 추가하면, 과도한 전력 소모와 무게를 더하지 않고서도 그 용도가 크게 확장될 수 있다.

도 1 은, 본 발명의 일부 실시예에 따른, 복수 개의 위성(102)의 예시적인 MEO 성좌(100)를 나타낸다. 도시된 바와 같이, 8 개의 위성(102; 8-볼 성좌)배치되고 서로 네트워킹되어 지구의 특정 대역, 특히 적도 궤도 주위에 연속 커버리지를 제공한다. 비록, 일 예로서 8 개의 위성들이 도시되지만, 본 발명은 8 개의 위성으로 한정되지 않으며, 위성 당 더 많은 커버리지 시간을 얻고 및/또는 리던던시 목적을 위해서 그 외의 숫자의 위성, 예를 들어 4 개, 16개 또는 그 외의 개수의 위성이 사용될 수 있다. MEO 성좌의 각각의 위성은 위성간 레이저콤(inter-satellite lasercom; ISL) 광학 망원경을 사용하여 다수(예를 들어, 오직 두 개의 이웃들만이 보이는 최소의 4-볼 성좌를 제외하고는 4 개 이상)의 최근접 이웃에 광학적으로 연결된다. 일부 실시예에서, 망원경마다 듀얼 광신호 경로를 제공하기 위하여 원형 편광 또는 스펙트럼 다이버시티가 사용된다. 일부 실시예에서, 원형 편광은 수신된 신호로부터 송신된 신호를 분리하기 위하여 사용된다.

ISL 광학 망원경은 다른 각도의 광통신이 위성의 추가 또는 링(성좌)으로부터의 위성의 제거(즉, 성좌 내의 위성의 수의 변화) 및 현재 사용 중인 위성의 리페이징(re-phasing)을 수용하게 허용(수용)하도록 그들의 상하각을 조절할 수 있다.

예를 들어, 새로운 위성이 성좌 내에 발사되는 경우, 궤적을 변경하고 위성간 및 지상 광통신(망원경)을 재구성하기 위한 하나 이상의 명령이, 예를 들어 지상 사이트에 있는 지상 망원경으로부터 각각의 위성으로 전송된다.

일부 실시예에서, 각각의 위성은 업/다운-링크 광학 망원경을 사용하여 다수의 지상 사이트에 연결된다. 최소의 가능한 구성은 위성 당 하나의 업/다운-링크 망원경이지만, 망원경의 수가 많아지면 네트워크의 전체 용량이 증가되고 더 큰 레버뉴(revenue)를 가진 스트림이 제공될 것이다. 일부 실시예에서는 6 개 또는 8 개의 망원경이 있는 것이 바람직하긴 하지만, 호스트 위성은 단순히 적어도 4 개의 업/다운-링크 망원경을 지원할 수 있다. 연결은, 성좌 내의 선행하는 위성으로부터의 지상 연결이 끝나갈 때마다 적어도 하나의 업/다운-링크 망원경이 자유로운 상태가 되도록 스케줄링되어, 네트워크가 이전의 연결을 끊기 전에 새로운 연결을 구축하게 한다.

다수의(두 개 이상의) 단말(지상 광학 망원경)이 서로 상대적으로 근접할 때, 예를 들어 연관된 지상 게이트웨이로부터 수 백 킬로미터 떨어져 있는 경우, 기후에 의한 신호두절을 줄이기 위해 지상에서의 사이트 다이버시티가 사용된다. 이러한 지상 단말/망원경 중 두 개는, 지상 사이트로의 광학적으로 연결된 위성의 각각의 패스에 대하여, 해당 패스에 대해 예측된 클라우드-프리(cloud-free) 가시선(line of sight probability) 확률에 기초해서 선택된다. 이러한 두 개의 지상 단말은 위성 상의 별개의 업/다운-링크 망원경에 의해 추적될 수도 있지만, 하나의 망원경에 의해 양자 모두의 지상 단말을 동시에 커버할 만큼 충분히 큰 가시 범위를 가지는 듀얼-추적 시스템을 이용하는 것도 역시 가능할 것이다. 일부 실시예에서, 공간적 분리가 부적절한 경우 두 개의 지상 단말들로부터의 신호를 구별하기 위한 하나의 접근법으로서 듀얼 편광이 사용된다. 일부 실시예에서, 비콘들에 대해 상이한 스펙트럼 대역이 사용될 수 있다.

또한, 각각의 지상 사이트는, 위성 성좌가 지상 사이트를 통과할 때, 이전의 연결이 끊기기 전에 새로운 연결이 구축될 수 있도록 적어도 두 개의 업/다운-링크 망원경을 가질 것이다. 이러한 방식으로, 위성 성좌는 사이트 다이버시티를 사용함으로써, 모니터링과 단일 게이트웨이/사이트를 지원하는 별개의 지상 단말 사이에서의 실시간 스위칭 기능과 함께 이용 분야가 넓어진다. 패스(pass)가 이뤄지는 동안, 업/다운-링크 망원경은 현재의 사이트들/단말들 양자 모두를 연속적으로 그리고 실시간으로 추적하고, 데이터를 최선명 가시선을 가지는 곳으로 전송한다. 서로 상대적으로 가까운 다수의(예를 들어, 두 개 이상의) 지상 단말은 유선 또는 무선, 전기 또는 광통신 방식을 통해 공유된 게이트웨이와 직접 통신 상태에 있다. 게이트웨이는 로컬 고속 인터넷 네트워크와 다중 연결되며 캐리어 호텔 또는 다른 사이트에 위치될 수 있다.

일부 실시예에서, 지상 단말 각각은 망원경과 광빔을 위성들 중 하나 이상으로 조향하기 위한 짐벌 시스템을 포함한다. 일부 실시예에서, 지상 설치 짐벌(gimbaled) 레이저콤 단말/망원경은 각각의 패스 중에 개개의 위성을 추적한다. 일부 실시예에서, 네트워크 운영 센터는, 원하는 지상 사이트들 사이의 연속 연결성을 유지하도록 데이터 경로를 구성하기 위한 하나 이상의 스위칭 명령을 전송하고, 위성이 지구를 선회할 때 이전의 연결이 폐기되기 전에 새로운 연결을 생성하기 위해 추가 링크가 사용된다.

비록 도 1 의 위성 성좌가 MEO 궤도에 대해 기술되지만, GEO 및 MEO 궤도 위성들의 조합도 역시 가능하며, 본 발명의 범위에 속한다. 일부 실시예에서, 낮은 지구 궤도(LEO) 및 MEO 궤도 위성들의 조합 역시 가능하고, 역시 본 발명의 범위에 속한다. 더 나아가, 하나 이상의 LEO 위성을 본 발명의 성좌로 추가하기 위한 여러 방법들이 존재한다.

도 2 는, 본 발명의 일부 실시예에 따른, 교차 링크 및 상/하 망원경을 포함하는 위성 페이로드(200)의 예시적인 레이아웃을 나타내는 도면이다. 도시된 바와 같이, 복수 개의 위성간(교차 링크) 망원경(204a 내지 204c)(이러한 예시도에는 네 개가 도시됨)이 위성간 광통신을 위한 각각의 위성의 외부에 설치된다. 이러한 예에서, 망원경(204a 및 204b)은 위성의 우측에 위치되고, 우측에 있는 자신의 최근접 이웃 위성 중 하나 이상과 통신한다. 예를 들어, 204a는 해당 방향에서 최근접 이웃 위성(즉, 인접한 위성)을 가리키면서 통신할 것이고, 204b는 해당 방향의 차근접 이웃 위성(즉, 두 번째로 떨어진 위성)을 가리키면서 통신할 것이다. 이와 유사하게, 망원경(204c 및 204d)은 좌측에 위치되고 좌측에 있는 자신의 최근접 이웃 위성 중 하나 이상과 통신한다. 각각의 교차 링크 망원경은 이웃 위성과의 광통신을 캘리브레이션하기 위해, 및/또는 새로운 위성이 성좌에 추가되는 경우에는 새로운 위성과 새로운 광통신을 구축하기 위해 선택적으로 조향될 수 있다. 즉, 위성간 광학적 링크는 각각의 위성을 리던던트 네트워크 내에 연결한다.

일부 실시예에서, 교차 링크 망원경(204a 내지 204d)은 성좌 내의 이웃 위성을 추적하기 위한 조절가능한 고도 셋팅을 포함한다. 일부 실시예에서, 두 개의 최근접 이웃과 두 개의 차근접 이웃들이 위성간 통신을 위해 이용된다. 호스트 위성 지터와 작은 궤도차를 보상하기 위해 빔 조향 미러가 사용된다. 위성을 성좌 및 통신 링에 추가하거나 그로부터 폐기하기 위해, 고도 조절이 드물게 사용된다.

추가하여, 지상 통신과 사이트 다이버시티를 위해 복수 개의(짐벌이 있는) 업/다운 링크 망원경(206a 내지 206g)(예시도에서는 6 개가 도시됨)이 각각의 위성의 외부에 설치된다. 일부 실시예에서, 각각의 업/다운 링크 망원경은 전 세계에 있는 지상 사이트들 사이의 적어도 하나의 고대역(예를 들어, 100 Gbps) 양방향성 연결을 지원한다. 연결의 다른 끝을 위하여 동일한 위성 또는 연결된 위성에 있는 다른 업/다운 링크 망원경이 사용된다. 위성마다 8 개의 위성 및 6 개의 업/다운-링크 망원경이 있으면, 네트워크는 고대역 bi-방향 연결들 중 24 개를 지원할 수 있다.

각각의 위성의 광학적 온-보드 하드웨어(페이로드)는 광학적 교차-연결 스위치 매트릭스(208)와 "명령, 제어, 및 텔레메트리(CC&T)" 서브시스템(214)(광학적일 수 있음)을 포함한다. 각각의 위성의 전기적 온-보드 하드웨어(페이로드)는, 광 스위치 메트릭(matric; 208)으로부터의 선택된 광신호를 전기 신호로 변환하기 위한 하나 이상의 O-E LCM(212), 전기 신호 재생성 시스템(210), 및 전기 신호를 광 스위치 매트릭스(208)로 입력될 광신호로 다시 변환하기 위한 하나 이상의 E-O LCM(216)을 포함한다. E-O LCM으로의 직접적 전기적 입력과 O-E LCM으로부터의 직접적 전기 출력도 역시 존재할 수 있다. 이러한 전기적 입력 및 출력은 데이터 저장 유닛(214)으로부터 나오거나 유닛에 저장될 수 있다. 온-보드 페이로드는 컴퓨터 또는 하나 이상의 프로세서 및 연관된 지지 컴포넌트(218); 및 하나 이상의 파워 서플라이(미도시)도 포함한다.

LRM이 광 스위치 매트릭스(208)를 통해 연결되는 방식이 주어지면, LCM들을 연결하기 위해 그것과 동일한 접근법을 사용하면 실제로 유연성이 제공될 것이다. 본 발명의 LCM은 광신호를 RF 안테나로 전송될 수 있는 전기 신호로 변환하거나, 전기 신호를 레이저콤 네트워크 내로 삽입될 수 있는 광학 신호로 변환하기 위해 사용될 수 있다. 또한, LCM은 매우 약한 광신호를 전기 신호로 변환하고, 3R 재생성(재증폭, 재성형(re-shaping), 및 리페이징(re-phasing))을 적용하며, 이제 광신호로 다시 변환하기 위해서 사용될 수도 있다. 이러한 스테이지에서 에러 정정을 수행하도록 FEC 회로부가 적용될 수도 있다. 이것은 데이터 레이트가 낮을 딥 공간(deep space) 릴레이 애플리케이션에 대해 유용하다.

복수 개의 위성 각각은 광신호를 전기 신호로 변환하지 않고 인입하는 광신호와 발신 광신호를 광학적으로 처리하고 스위칭하기 위한 광학 회로부/하드웨어를 포함한다. 광학적 온-보드 하드웨어는 지상 및/또는 하나 이상의 이웃 위성으로부터 인입하는 광학적 데이터 스트림을 수신하고, 이것을 광학적으로 재생성하며(재생성은 재증폭으로 한정될 수도 있고 또는 완전한 3R 재생성일 수도 있음), 이것을 원하는(선택된) 출력 경로로 지향시키도록 광 스위치를 사용하며, 이것을 그 최종 목적지(지상 및/또는 하나 이상의 이웃 위성)를 향해 전송한다.

이와 유사하게, 전기적 온-보드 하드웨어는 지상 및/또는 하나 이상의 이웃 위성으로부터 인입하는 전기 신호를 수신하고, 이것을 전기적으로 재생성하고 및/또는 처리하며, 처리된 전기 신호를 그 최종 목적지로 송신되도록 광 스위치로 입력될 광신호로 변환한다. 일부 실시예에서, 인입하는 신호는, 더 복잡한 재생성 처리를 위해(또는 처리되도록 컴퓨터(218)에 입력되기 위해) 광학-전기 변환 회로에 의해 전기 신호로 변환되는 광신호일 수도 있다. 스위치로부터 출력된 광신호는 광학-전기 변환 회로를 사용하여 전기 신호로 변환될 수 있다. 이와 유사하게, 예를 들어, 컴퓨터(218), 데이터 저장 유닛(214), 지상, 다른 위성 또는 온-보드 센서로부터 나오는 임의의 전기 신호는 광 스위치 매트릭스(208)에 의해 라우팅되고 망원경에 의해 그 다음 목적지로 전파되기 위한 광신호로 변환될 수 있다.

도 3 은 본 발명의 일부 실시형태들에 따르는, 온-보드 하드웨어 시스템(300)에 대한 간략화된 블록도이다. 도면은 광 스위치(308)로부터의 두 개의 광학적 목적지(출력)만을 예시하도록 단순화된다. 도시된 바와 같이, 인입 광신호는 광빔 확장기(314)에 의해 수광되고 광학적 사전증폭기(312)에 의해 사전 증폭된다. 그러면, 사전증폭된 광신호는 다중화기(302)에 의해 결합될 수 있다. 그러면, 개개의 채널에 대한 결합된 신호는 광학적 메인 증폭기(304)에 의해 증폭되고, 역다중화기(306)에 의해 역다중화되며, 이제 광학적(크로스바) 스위치(308)로 공급된다. 그러면, 광 스위치(308)는 스위칭 명령에 따라 광신호(309)를 그 출력 중 하나(또는 그 이상)로 출력한다. 그러면, 광신호(309)는 최종 전력 증폭기(310)에 의해 증폭된 이후에 빔 확장기(314)에 의해 선택된 목적지로 송신된다. 일부 실시예에서, 각각의 사전증폭기에 대해 별개의 메인 증폭기가 사용되기 때문에 다중화기 및 역다중화기는 제거될 수 있다.

이와 유사하게, 전기적 입력 신호(315), 예를 들어 RF 신호는 안테나(320)를 통해서, 또는 임의의 온-보드 전기 디바이스 또는 센서(318)로부터 RF 송수신기(316)에 의해 수신된다. 그러면, 전기 신호(315)는 전기-광학(E-O) 변환 회로(317)에 의해 광신호로 변환되고, 결과적인 광신호가 광 스위치(308)로 입력된다. 광 스위치(308)는 자신의 출력들 중 각각의 하나 이상에서 하나 이상의 광학-전기(O-E) 변환 회로(322)를 포함한다. 광 스위치(308)의 임의의 광 입력이 전기 신호로 변환돼야 할 필요가 있으면, 스위칭 명령은 광 스위치(308)가 해당 입력을 광학-전기 변환 회로(322)를 가지는 출력 중 하나로 스위칭하도록 지시한다. 그러면, 전기 출력(313)은 안테나(320)를 통해 오프-보드로 전기적으로 송신되도록 송수신기(316)로 공급된다. 대안적으로는, 또는 추가적으로, 전기 출력(313)은 프로세서 또는 메모리를 포함하는 임의의 온-보드 전기 디바이스로 공급될 수도 있다.

광학적(크로스바) 스위치는 상이한 스위칭 접근법을 수행할 수 있고, 이것은 지상 사이트들 모두 사이에 완전히 투명한 점-점 연결 또는 더 탄력적인 메시 연결이 가능해지게 한다. 각각의 입력은 다른 입력을 차단하지 않고 임의의 출력에 연결될 수 있다. 일부 실시예에서, 광 스위치는 미소전기-기계 시스템(MEMS) 기술을 사용하는데, 다수의 작은 미러는 그 입력으로부터 원하는 출력으로 각각의 광신호를 반사하도록 명령된 바에 따라 틸팅된다. 일부 실시예에서, 저손실 압전 스위치가 사용된다.

도 4 는 본 발명의 일부 실시예에 따른, 자신의 입력 및 출력에서, 다수 개의 레이저 변환 모듈(LCMs)을 포함하는 예시적인 광학적 교차-연결 스위치에 대한 단순화된 블록도이다. 도시된 바와 같이, N x N 광학적 교차-연결 스위치(401)는 자신의 광입력 중 임의의 것을 자신의 출력 중 임의의 하나 이상으로 라우팅할 수 있다. 광입력은 다른 위성의 LRM, 동일한 위성의 다른 LRM, 또는 임의의 온-보드 광학적 디바이스로부터 수신될 수 있다. 이와 유사하게, 광출력은 다른 위성의 LRM, 동일한 위성의 다른 LRM, 또는 임의의 온-보드 광학적 디바이스로 송신될 수 있다. 추가하여, 광 스위치(401)의 각각의 하나 이상의 입력 채널에 하나 이상의 E-O 변환 회로(LCM)(402)가 존재한다. E-O 변환 회로(402)는, 예를 들어 온-보드 디지털 저장 유닛(DSU)(405)으로부터, 온-보드(RF) 수신기(송수신기)(406)로부터, 직접적으로 온-보드 컴퓨터(409) 및/또는 온-보드 센서(407)로부터 전기 신호를 얻는다. 온-보드(RF) 수신기(406), 온-보드 컴퓨터(409) 및/또는 온-보드 센서(407)는 우선, 전기 신호가 E-O 변환 회로(402)로 출력되기 전에 그들의 전기 신호가 저장되도록 DSU(405)에 출력할 수 있다.

이와 유사하게, 광 스위치(401)의 각각의 하나 이상의 출력 채널에 하나 이상의 O-E 변환 회로(LCM)(403)가 존재한다. 하나 이상의 O-E 변환 회로(403)는 광 스위치의 각각의 출력을 취하고, 이들을, 온-보드(RF) 송신기(송수신기)(408)에 의해 송신되고, 온-보드 DSU(405)에 의해 저장되며, 온-보드 컴퓨터(409)에 의해 처리되고, 및/또는 임의의 다른 온-보드 전기 디바이스로 전송될 전기 신호로 변환한다. 그러면, 송신기(송수신기)(408)는 이러한 전기 신호를 다른 LRM 또는 지상국으로 송신할 수 있다.

추가하여, O-E 변환 회로(413)는 광 스위치로부터의 광신호를, 전기적 재생성 회로(404)에 의해 (전기적으로) 재생성될 전기 신호로 변환한다. 그러면, 재생성된 전기 신호는 E-O 변환 회로(412)에 의해 광신호로 변환되고, 그 다음 목적지로 지향되도록 스위치 내로 다시 입력될 수 있다. 이러한 소자들은 도 4 에 도시된 바와 같이 단일 유닛으로 통합될 수 있고, 또는 재생성 회로(404)는, 임의의 O-E 변환 회로(403)가 전기적 입력 신호를 재생성 회로로 제공하게 하고 임의의 E-O 변환 회로(402)가 전기 출력 신호를 다시 광학 형태로 변환하게 하는 두 개의 전기적 스위치에 연결될 수 있다.

일부 실시예에서, 상이한 E-O LCM들은 상이한 광학적 변조 방식을 지원할 수 있고, 상이한 O-E LCM은 동일하거나 상이한 광학적 변조 방식을 지원할 수 있다. 이러한 방식으로, O-E와 E-O 변환을 결합하는 LCM(O-E-O LCM)은 전기 신호의 전기적 재성형과 리프레이징을 선택적으로 포함하면서, 하나의 광학적 변조 기법에서 다른 기법으로의 변환을 지원할 수 있다. 추가하여, O-E-O LCM은, O-E LCM 내의 광범위한 스펙트럼 범위에 민감한 검출기 및 E-O LCM 내의 튜닝가능한 레이저 소스를 사용하여 광신호의 파장을 변환할 수 있다.

위에서 설명된 바와 같이, 3 개의 타입의 LCM이 본 발명에서 이용될 수 있다. E-O LCM은 주어진 데이터 레이트에서 입력 전기적 비트 스트림을 사용할 수 있고, 튜닝가능한 레이저 마스터 발진기를 변조하기 위해 해당 신호를 사용할 수 있다. 변조는, 광학적 교차-연결 스위치로 향하는 다른 광신호의 전력 레벨과 매칭하도록 광신호를 증폭하기 위해 저잡음 사전 증폭기가 사용되기 이전에 발생한다. 그러면, 출력 광신호는 광섬유 내에 주입되고 광학적 교차-연결 스위치 상의 입력 포트에 연결된다. 그러면, 광신호는 적합한 출력 포트에 연결되고 원하는 LRM으로 전송되는데, 여기에서 전력 증폭기는 네트워크 내에서 다른 노드에 도달하고 이것을 해당 노드로 송신하기 위해 필요한 최종 증폭을 제공한다. 이러한 방법으로, LRM과 함께 E-O LCM이 송신(Tx) 레이저 공간 단말의 기능을 제공한다.

일부 실시예에서, O-E LCM은 광학적 교차-연결 스위치의 출력 포트로부터 광신호를 취할 수 있고, 이것을 전기적 비트 스트림으로 변환한다. O-E LCM은 저잡음 검출기를 포함하고, 디지털화 이전에 아날로그 전기 출력을 깨끗하게(즉, 재성형 및 리페이징)하기 위하여 전기적 필터링을 포함할 수 있다. O-E LCM은 LRM과 함께 수신(Rx) 레이저 공간 단말의 기능성을 제공한다. 이러한 실시예에서, LCM은 네트워크 내의 임의의 다른 노드가 지상에 있거나 공간에 있거나, 고대역 데이터 신호를 호스트 위성으로 전송하게 할 수 있다.

O-E-O LCM은 제 1 두 개의 LCM의 기능성을 몇 가지 추가적 선택적인 전자제품(필요하다면)과 결합하여 신호를 재성형하고 리프레이징한다. OXC는 임의의 DWDM 광신호로부터 하나 이상의 특정한 채널이 추출되게 하고, 하나 이상의 채널이 동일한 파장 또는 새로운 파장에 삽입되게 한다. E-O 및 O-E LCM 양자 모두의 조합은 LRM과 공동으로, 송신 및 수신 레이저 공간 단말의 기능성을 제공한다. 적어도 두 개의 LRM과 함께, O-E-O LCM은 심도 공간 임무(deep space mission)와 관련된 더 낮은 신호-잡음(SNR) 임무를 확장하고 강화시킨다. 정상 광투명 릴레이 동작 모드에서, 노드들의 시퀀스 내에 노이즈가 쌓이는 것은 전력 증폭기로부터의 신호 레벨을 증가시킴으로써 수용되지만, 공간-적합(space qualified) 방사선 하드 광파워 증폭기로부터 얻을 수 있는 전력 레벨에는 제한이 있다. 전기적 도메인에서 주어진 채널에 대한 풀 3-R 재생성을 수행함으로써, 아날로그 전기 신호를 깨끗하게 하고 노이즈 레벨을 감소시키는 것이 가능해진다. 신호를 디지털 도메인으로 변환하면, FEC 온-보드 호스트 위성을 사용할 수 있게 되고, 정정가능한 모든 비트 에러를, 완전히 제거하고 무결한(pristine) 신호를 재생성한다.

일부 실시예에서, 이러한 LCM은 적합한 변환을 위해 필요한 하드웨어만을 포함하고, 따라서 레이저 공간 단말 하드웨어의 나머지는 표준 레이저 릴레이 모듈로 제한된다. LCM들은 매우 간단한 구성을 위해 섬유를 통해 LRM으로 직접 연결되거나, LRS 상의 광학적 교차-연결 스위치(401)를 통해 간접적으로 연결될 수 있다.

도 5 는 본 발명의 일부 실시예에 따른, 재생성 기능성을 가지는 예시적인 O-E-O 레이저 변환 모듈(LCM)에 대한 단순화된 블록도이다. 도시된 바와 같이, 광신호는 광학적 교차-연결 스위치의 출력 포트(501)로부터 수신된 후 광학 증폭기(502)에 의해 증폭된다. 그러면 신호는 관련된 기술이 공간에 적합해짐에 따라서 선택적인 비선형 광학적 재생성 시스템(503)에 의해 더욱 재생성될 수 있다. 그러면, 분광기 또는 스위치(504)는 광신호를 O-E 검출기(505)로 또는 광학 결합기(510)로 또는 이들 모두로 송신한다. O-E 검출기(504)의 출력은 아날로그 전기 신호이고, 이것은 전기 증폭기(506)에 의해 증폭될 수 있다. 여기에서, 고속 아날로그 전기 신호는 재성형 또는 리페이징과 같은 추가적인 재생성을 겪을 수 있고, 또는 아날로그-디지털(A/D) 컨버터에 의해 디지털화되고 DSU(데이터 저장 유닛)로 전달될 수 있다. DSU는 입력 데이터 스트림 내의 모든 정정가능 비트 에러를 고정하기 위한 FEC 회로부를 내장할 수 있다. 또한, FEC는 생성된 DSU로의 방사선 충돌(radiation hits)에 의해 생성된 비트 에러를 정정하기 위해 출력 데이터 스트림에서 사용될 수 있다. 생성된 데이터 스트림은 고속 디지털-아날로그(D/A) 컨버터로 전달된다. 그러면, 결과로서 얻어지는 고속 아날로그 전기 신호는 E-O 유닛으로 전송되고, 이것은 연속파 레이저 소스 및 변조기를 포함한다. 그러면, 출력 광신호는 OXC의 입력 포트(511)로 전송되기 전에 광학 결합기(510)로 송신된다.

본 발명의 광범위한 진보적인 사상에서 벗어나지 않으면서, 전술된 본 발명의 예시된 실시예와 다른 실시예에 다양한 변경이 가해질 수 있다는 것이 당업자에게 이해될 것이다. 그러므로, 본 발명은 개시된 특정 실시예 또는 장치로 한정되지 않고, 오히려 청구 범위에 의해 규정되는 바와 같은 본 발명의 범위와 사상에 속하는 임의의 변화, 적응, 또는 변경을 커버하도록 의도된다.

Claims

자유 공간 광통신을 위한 전기-광학 페이로드로서,
복수 개의 인입 광신호의 각각의 광신호를 각각 수신하기 위한 복수 개의 광빔 확장기;
각각의 광입력 신호를 각각의 광출력 신호로 지향시키기 위한 광학적 교차-연결 스위치;
전기 신호를 상기 광학적 교차-연결 스위치에 입력되기 위한 광신호로 변환하기 위하여, 상기 광학적 교차-연결 스위치의 입력에 연결되는 전기-광학 변환 회로;
상기 광학적 교차-연결 스위치로부터 출력된 광신호를 전기 신호로 변환하기 위하여, 상기 광학적 교차-연결 스위치의 출력에 연결되는 광학-전기 변환 회로; 및
상기 광학적 교차-연결 스위치의 광출력 신호를 전기 신호로 변환하기 위해, 상기 광학적 교차-연결 스위치의 출력에 연결된 제 2 광학-전기 변환 회로 및 상기 광학적 교차-연결 스위치의 입력에 연결된 제 2 전기-광학 변환 회로를 포함하는 전기적 재생성 회로로서, 상기 전기적 재생성 회로는 상기 전기 신호에 재생성 처리를 수행하고 처리된 전기 신호를 상기 광학적 교차-연결 스위치로 입력될 광신호로 변환하는, 전기적 재생성 회로를 포함하고,
상기 광학적 교차-연결 스위치로부터의 출력 광신호 중 일부는, 발신 광신호로서 각각의 목적지로 송신되도록, 각각의 광빔 확장기에 입력되는, 전기-광학 페이로드.
제 1 항에 있어서,
상기 전기-광학 페이로드는,
상기 인입 광신호들을 결합하고, 결합된 광신호를 증폭하기 위한 단일 광학적 메인 증폭기로 상기 결합된 광신호를 출력하기 위한 광학적 다중화기; 및
증폭된 결합된 광신호를 상기 광학적 교차-연결 스위치로 출력하기 위하여 역다중화하기 위한 역다중화기를 더 포함하는, 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전기-광학 페이로드는,
상기 교차-연결 광 스위치에 광학적으로 연결된 복수 개의 광파워 증폭기 및 상기 발신 광신호를 증폭하기 위한 각각의 광빔 확장기를 더 포함하는, 시스템.
제 1 항에 있어서,
4 개의 광빔 확장기가, 양측에 하나씩 있는 두 개의 최근접 이웃 위성과의 광통신을 위해, 그리고 양측에 하나씩 있는 두 개의 차근접(next nearest) 이웃 위성과의 광통신을 위해 사용되는, 시스템.
제 1 항에 있어서,
지상 사이트(ground site)와의 광통신과 연관된 복수 개의 광빔 확장기 각각은, 각각의 지상 사이트와의 양방향성 링크를 제공하도록 DWDM(Dense Wavelength Diversity Multiplexing)을 이용하도록 구성되는, 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 지상 사이트와의 광통신과 연관된 복수 개의 광빔 확장기 각각은, 양방향성 링크에서 두 개의 데이터 스트림을 격리시키게끔 편광 및 파장 다이버시티 중 하나 이상을 이용하도록 더욱 구성되는, 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 복수 개의 광빔 확장기 중 하나 이상은, 지상 사이트와의 광통신과 연관되고, 주어진 지상 사이트의 적어도 두 개의 지상 단말을 추적하도록, 그리고 자유 공간 광통신 시스템을 내장하는 위성이 상기 주어진 지상 사이트를 지날 때, 상기 위성으로의 최선명 가시선(clearest line of sight)을 가지는 지상 단말로 데이터를 전송하도록 구성되는, 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 광학적 교차-연결 스위치는, 광학적 데이터 경로를 구성하고 원하는 지상 사이트들 사이의 연속 연결성을 유지하도록, 지상 운영 센터로부터 하나 이상의 스위칭 명령을 수신하도록 구성되는, 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전기-광학 페이로드는,
상기 광신호 중 하나 이상을 증폭하도록 구성되는 하나 이상의 레이저를 더 포함하는, 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 광학-전기 변환 회로로부터의 전기 신호는 온-보드 저장 유닛에 입력되는, 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 광학-전기 변환 회로로부터의 전기 신호는 오프-보드 목적지로 송신되도록 송신기에 입력되는, 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전기-광학 변환 회로에 입력되는 전기 신호는 안테나를 통해 수신기로부터 수신되는, 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전기-광학 변환 회로에 입력되는 전기 신호는 온-보드 저장 유닛으로부터 수신되는, 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전기-광학 변환 회로에 입력되는 전기 신호는 온-보드 센서로부터 수신되는, 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 전기-광학 변환 회로에 입력되는 전기 신호는 온-보드 컴퓨터로부터 수신되는, 시스템.
자유 공간 광통신을 위한 위성으로서,
하나 이상의 지상 사이트와의 광통신을 위한 복수 개의 업/다운-링크 광학 망원경;
위성간 광통신을 위한 복수 개의 위성간 망원경; 및
전기-광학 페이로드로서,
복수 개의 인입하는 광신호의 각각의 광신호를 각각 수신하기 위한 복수 개의 광빔 확장기;
각각의 광입력 신호를 각각의 광출력 신호로 지향시키기 위한 광학적 교차-연결 스위치;
전기 신호를 상기 광학적 교차-연결 스위치에 입력되기 위한 광신호로 변환하기 위하여, 상기 광학적 교차-연결 스위치의 입력에 연결되는 전기-광학 변환 회로;
상기 광학적 교차-연결 스위치로부터 출력된 광신호를 전기 신호로 변환하기 위하여, 상기 광학적 교차-연결 스위치의 출력에 연결되는 광학-전기 변환 회로; 및
상기 광학적 교차-연결 스위치의 광출력 신호를 전기 신호로 변환하기 위해, 상기 광학적 교차-연결 스위치의 출력에 연결된 제 2 광학-전기 변환 회로 및 상기 광학적 교차-연결 스위치의 입력에 연결된 제 2 전기-광학 변환 회로를 포함하는 전기적 재생성 회로로서, 상기 전기적 재생성 회로는 상기 전기 신호에 재생성 처리를 수행하고 처리된 전기 신호를 상기 광학적 교차-연결 스위치로 입력될 광신호로 변환하는, 전기적 재생성 회로를 포함하는 전기-광학 페이로드를 포함하고,
상기 광학적 교차-연결 스위치로부터의 출력 광신호 중 일부는, 발신 광신호로서 각각의 목적지로 송신되도록, 각각의 광빔 확장기에 입력되는, 자유 공간 광통신용 위성.
제 16 항에 있어서,
상기 전기-광학 페이로드는,
상기 인입 광신호들을 결합하고, 결합된 광신호를 증폭하기 위한 단일 광학적 메인 증폭기로 상기 결합된 광신호를 출력하기 위한 광학적 다중화기; 및
증폭된 결합된 광신호를 상기 광학적 교차-연결 스위치로 출력하기 위하여 역다중화하기 위한 역다중화기를 더 포함하는, 자유 공간 광통신용 위성.
제 16 항에 있어서,
상기 전기-광학 페이로드는,
상기 교차-연결 광 스위치에 광학적으로 연결된 복수 개의 광파워 증폭기 및 상기 발신 광신호를 증폭하기 위한 각각의 광빔 확장기를 더 포함하는, 자유 공간 광통신용 위성.
제 16 항에 있어서,
4 개의 광빔 확장기가, 양측에 하나씩 있는 두 개의 최근접 이웃 위성과의 광통신을 위해, 그리고 양측에 하나씩 있는 두 개의 차근접(next nearest) 이웃 위성과의 광통신을 위해 사용되는, 자유 공간 광통신용 위성.
제 16 항에 있어서,
상기 복수 개의 광빔 확장기 중 하나 이상은, 지상 사이트와의 광통신과 연관되고, 주어진 지상 사이트의 적어도 두 개의 지상 단말을 추적하도록, 그리고 자유 공간 광통신 시스템을 내장하는 위성이 상기 주어진 지상 사이트를 지날 때, 상기 위성으로의 최선명 가시선을 가지는 지상 단말로 데이터를 전송하도록 구성되는, 자유 공간 광통신용 위성.