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M. Pfennigbauer:
"Design of Optical Space-to-Ground Links for the International Space Station";
Supervisor, Reviewer: W. Leeb, P. Winzer; Institut für Nachrichtentechnik und Hochfrequenztechnik, 2004.

Innovative technologies will have to be developed in the near future to satisfy the ever increasing demand on bandwidth associated with new communication services. Free-space laser communication is a promising candidate in this field. The outstanding advantage of systems employing optical carrier frequencies in comparison to widely used radio-frequency technology is the low beam divergence. However, small beam diameters lead to high technological demands concerning mutual pointing, acquisition, and tracking (PAT) of the communicating terminals.

Within this thesis, the major concepts and technological requirements of an optical link operating in the Gb/s-regime between the International Space Station (ISS) and a ground station are being investigated. Such a link could serve as broadband communication channel for the scientific experiments aboard the station and would, additionally, extend the operational experience with optical space-to-ground links. I am deriving numerical benchmarks for the parameters concerning the link loss, the pointing accuracy, and the effects of atmospheric propagation. I am calculating the power spectral density originating from celestial bodies and the atmosphere of the Earth accepted by a telescope aboard the ISS or on ground and assess its impact on the performance of the system.

The distances to be bridged between the ISS and a ground station are up to 2200 km. This fact, together with the limited transmit power, the high cost of large telescopes, and the impossibility of in-line amplification lead to the need for highly sensitive receivers to fully exploit the low signal power available. After comparing different receiver technologies, I am focussing on optically preamplified direct detection receivers. The system parameters affecting the receiver´s performance are investigated by a self-developed simulation program and by experiments. Two forms of on-off keying modulation formats, namely non return-to-zero (NRZ) and return-to-zero (RZ), are implemented and the effect on the receiver sensitivity is being assessed. By using an RZ coded transmit signal and by optimizing optical and electrical filter bandwidths in the receiver, I experimentally approached - at a data rate of 10 Gb/s - the theoretical limit of receiver sensitivity, the quantum limit, as close as 1.1 dB.

I set up a laboratory breadboard of an optical transceiver implementing devices commercially available off-the-shelf to assess the potential of utilizing fiber communication technology for free space laser communication. I show that Erbium-doped fiber amplifiers are suitable to serve as high-power booster amplifier in the transmitter and as preamplifier in the receiver.

Many aspects of classical optical free-space communication systems, e.g., PAT, link loss, and background radiation are also relevant for quantum communication in space. I am investigating the implementation of quantum cryptography for distributing a secret key to two ground stations by employing a source of entangled photons aboard the ISS. In an assessment of the technological requirements of this scenario I identify the data rate, the accuracy of synchronization, and the link availability as critical issues.

Die durch das Angebot von neuen Kommunikationsdiensten ständig wachsende Nachfrage nach Bandbreite kann in Zukunft nur durch die Entwicklung von innovativen Technologien befriedigt werden. Ein vielversprechendes Konzept auf diesem Sektor ist die Freiraumübertragung mittels Laserstrahlen, wo Datenraten von mehreren Gb/s realisiert werden können. Einer der Hauptvorteile der Verwendung von Trägerfrequenzen im optischen Bereich im Gegensatz zur herkömmlichen Mikrowellentechnik ist die kleine Strahldivergenz. Sie geht jedoch einher mit hohen Anforderungen an die Ausrichtung und Nachführung der Antennen der kommunizierenden Endgeräte.

Die vorliegende Dissertation definiert Anforderungen und Konzepte einer breitbandigen optischen Datenübertragung zwischen der Internationalen Raumstation (ISS) und einer Bodenstation. Eine Verbindung dieser Art würde einerseits die Kommunikationsmöglichkeiten der Station mit der Erde verbessern und andererseits wesentliche Aufschlüsse über den Einsatz optischer Datenübertragung im Weltraum liefern. Ich gebe Richtwerte für die zu erwartende Signalabschwächung, die erforderliche Genauigkeit der Strahlausrichtung und den Einfluss der Atmosphäre auf die Strahlausbreitung an. Die von den Empfangsteleskopen auf der ISS und auf der Erde aufgenommene spektrale Leistungsdichte der Strahlung von Himmelskörpern und der irdischen Atmosphäre wird berechnet und der entsprechende Einfluss auf die Qualität der Übertragung analysiert.

Bei Verbindungen zwischen ISS und Erde beträgt die zu überbrückende Distanz immerhin bis zu 2200 km, die Größe der Teleskope und die verfügbare Sendeleistung an Bord der ISS ist stark begrenzt, eine Zwischenverstärkung ist nicht möglich. Der sich daraus ergebende geringe Signalpegel am Empfänger muss optimal ausgenutzt werden. Nach dem Vergleich verschiedener Empfängertechnologien richte ich mein Augenmerk auf optisch vorverstärkte Direktempfänger. Mit Hilfe eines eigens entwickelten Simulationsprogramms, dem eine detaillierte Modellierung des Übertragungssystems bestehend aus Sender und Empfänger zugrunde liegt, untersuche ich den Einfluss unterschiedlicher Parameter auf die Empfindlichkeit des Empfängers. Senderseitig fasse ich zwei Modulationsformate ins Auge, nämlich NRZ (non return-to-zero) und RZ (return-to-zero). Die wichtigsten Parameter des Empfängers sind die Bandbreiten des optischen und des elektrischen Filters. Durch Verwendung eines RZ-Signals und durch sorgfältige Optimierung der Filterbandbreiten gelingt es mir, bei einer Datenrate von 10 Gb/s, der theoretischen Grenze der Empfängerempfindlichkeit, dem Quantenlimit, experimentell bis auf 1.1 dB nahe zu kommen.

Um das Potential des Einsatzes von kommerziell verfügbaren Komponenten, die für den Einsatz in fasergebundenen Systemen entwickelt wurden, für die optische Freiraumübertragung zu beurteilen, habe ich ein Übertragungssystem bei einer Wellenlänge von 1550 nm aufgebaut. Ich zeige, dass Erbiumdotierte Faserverstärker als Leistungsverstärker im Sender und als Vorverstärker in empfindlichen Empfängern bestens geeignet sind.

Viele Aspekte der klassischen optischen Freiraumübertragung wie zum Beispiel Strahlausrichtung und Nachführung, Abschwächung und Hintergrundstrahlung sind auch für die Anwendung von Quantenkommunikation im Weltraum von Bedeutung. Ich untersuche den Einsatz von Quantenkryptographie in folgendem Szenario: Unter der Verwendung einer Quelle von verschränkten Photonen an Bord der ISS soll ein geheimer Schlüssel auf zwei Bodenstationen verteilt werden. In einer Analyse der technologischen Anforderungen identifiziere ich die nach oben beschränkte Datenrate, die Genauigkeit der Synchronisation und die Verfügbarkeit der Verbindung als kritische Parameter