How Can Optical Communications Shape the Future of Deep Space Communications? A Survey

With a large number of deep space (DS) missions anticipated by the end of this decade, reliable and high capacity DS communications systems are needed more than ever. Nevertheless, existing DS communications technologies are far from meeting such a goal. Improving current DS communications systems does not only require system engineering leadership but also, very crucially, an investigation of potential emerging technologies that overcome the unique challenges of ultra-long DS communications links. To the best of our knowledge, there has not been any comprehensive surveys of DS communications technologies over the last decade. Free space optical (FSO) technology is an emerging DS technology, proven to acquire lower communications systems size, weight, and power (SWaP) and achieve a very high capacity compared to its counterpart radio frequency (RF) technology, the current used DS technology. In this survey, we discuss the pros and cons of deep space optical communications (DSOC). Furthermore, we review the modulation, coding, and detection, receiver, and protocols schemes and technologies for DSOC. We provide, for the very first time, thoughtful discussions about implementing orbital angular momentum (OAM) and quantum communications (QC) for DS. We elaborate on how these technologies among other field advances, including interplanetary network, and RF/FSO systems improve reliability, capacity, and security and address related implementation challenges and potential solutions. This paper provides a holistic survey in DSOC technologies gathering 200+ fragmented literature and including novel perspectives aiming to setting the stage for more developments in the field.Comment: 17 pages, 8 Figure

Long distance free-space quantum key distribution

In the age of information and globalisation, secure communication as well as the protection of sensitive data against unauthorised access are of utmost importance. Quantum cryptography currently provides the only way to exchange a cryptographic key between two parties in an unconditionally secure fashion. Owing to losses and noise of today's optical fibre and detector technology, at present quantum cryptography is limited to distances below a few 100 km. In principle, larger distances could be subdivided into shorter segments, but the required quantum repeaters are still beyond current technology. An alternative approach for bridging larger distances is a satellite-based system, that would enable secret key exchange between two arbitrary points on the globe using free-space optical communication. The aim of the presented experiment was to investigate the feasibility of satellite-based global quantum key distribution. In this context, a free-space quantum key distribution experiment over a real distance of 144 km was performed. The transmitter and the receiver were situated in 2500 m altitude on the Canary Islands of La Palma and Tenerife, respectively. The small and compact transmitter unit generated attenuated laser pulses, that were sent to the receiver via a 15-cm optical telescope. The receiver unit for polarisation analysis and detection of the sent pulses was integrated into an existing mirror telescope designed for classical optical satellite communications. To ensure the required stability and efficiency of the optical link in the presence of atmospheric turbulence, the two telescopes were equipped with a bi-directional automatic tracking system. Still, due to stray light and high optical attenuation, secure key exchange would not be possible using attenuated pulses in connection with the standard BB84 protocol. The photon number statistics of attenuated pulses follows a Poissonian distribution. Hence, by removing a photon from all pulses containing two or more photons, an eavesdropper could measure its polarisation without disturbing the polarisation state of the remaining pulse. In this way, he can gain information about the key without introducing detectable errors. To protect against such attacks, the presented experiment employed the recently developed method of using additional "decoy" states, i.e., the the intensity of the pulses created by the transmitter were varied in a random manner. By analysing the detection probabilities of the different pulses individually, a photon-number-splitting attack can be detected. Thanks to the decoy-state analysis, the secrecy of the resulting quantum key could be ensured despite the Poissonian nature of the emitted pulses. For a channel attenuation as high as 35 dB, a secret key rate of up to 250 bit/s was achieved. Our outdoor experiment was carried out under real atmospheric conditions and with a channel attenuation comparable to an optical link from ground to a satellite in low earth orbit. Hence, it definitely shows the feasibility of satellite-based quantum key distribution using a technologically comparatively simple system

Optically amplified free-space optical communication systems

This thesis investigates terrestrial atmospheric FSO communication systems operating under the influence of turbulence-induced scintillation, beam spreading, optical interchannel crosstalk, amplified spontaneous emission noise and pointing errors. On-off keying-non–return-to-zero (OOK-NRZ) and digital pulse position (DPPM) are the modulation schemes used for the calculations. The possibility of using sophisticated performance evaluation techniques such as moment generating function (MGF)-based Chernoff bound (CB), modified Chernoff bound (MCB) and saddlepoint approximation (SPA) for terrestrial DPPM and OOK-NRZ–based FSO communication systems employing optical amplification are investigated and compared with the conventional Gaussian approximation (GA) method. Relative to the other techniques, the MCB can be considered a safe estimation method for practical systems since it provides an upper bound upon the BER. The turbulent optically preamplified DPPM FSO receiver employing integration over a time slot and comparing the results to choose the largest slot, is seen to give better advantage (about 7 - 9 dB) compared to an equivalent employing OOK-NRZ signalling. The atmospheric turbulence-induced spreading of the beam, ASE noise, and pointing error are seen to combine in a problematic way resulting in high BERs, depending on the size of the receiver and the beam’s jitter standard deviation. Using FSO communication for the distribution links of a passive optical network-like wavelength division multiplexing access network is investigated in the presence of atmospheric turbulence, ASE noise and interchannel crosstalk. The results show that, for clear atmosphere, FSO distribution link length up to 2000 m can be reliably used (depending on turbulence strength) to achieve human eye safety and high capacity access networks. Also, error floors occur due to turbulence accentuated crosstalk effect for the cases of (i) signal turbulent, but crosstalk not and (ii) crosstalk turbulent, but signal not

Advanced deep space communication systems study Final report

Deep space communication system requirements for period 1970 to 198

Quantum Cryptography

Quantum cryptography could well be the first application of quantum mechanics at the individual quanta level. The very fast progress in both theory and experiments over the recent years are reviewed, with emphasis on open questions and technological issues.Comment: 55 pages, 32 figures; to appear in Reviews of Modern Physic

Atmospheric compensation experiments on free-space optical coherent communication systems

In the last years free-space optical communications systems for wireless links have been proposed, studied, and implemented mainly due to the higher bandwidth that this technology is able to provide. Still, radio frequency (RF) systems have been maintained in practical wireless communications systems due to the improvement of the microwave sources and the development of high speed electronics. Nowadays the circumstances are changing as a consequence of the increasing data-rate needed in terrestrial and outer space communications. The shift from RF systems to optical communication systems in the free space applications provide a wide set of advantageous characteristics that are motivating the use of these optical technologies in detriment of the RF systems. One of the key reasons is the advantage of working with optical wavelengths in compare to the RF spectral band. As well as the already mentioned increase in the available bandwidth due to the fact that higher optical frequencies directly mean wider bandwidths, the use of optical frequencies lead to a better performance in terms of the received power: for equal antenna sizes the received signal goes inversely as the square of the wavelength. Of the most interest, recent coherent optical communication systems address modulation and detection techniques for high spectral efficiency and robustness against transmission impairments. Coherent detection is an advanced detection technique for achieving high spectral efficiency and maximizing power or signal-to-noise (SNR) efficiency, as symbol decisions are made using the in-phase and quadrature signals, allowing information to be encoded in all the available degrees of freedom. In this context, the effects of Earth's atmosphere must be taken into account. Turbulenceinduced wavefront distortions affect the transmitted beam responsible for deterioration of the link bit error rate (BER). The use of adaptive optics to mitigate turbulence-induced phase fluctuations in links employing coherent (synchronous) detection is poised to reduce performance penalties enabling a more capable next generation of free-space optical communications. In this work, we describe the implementation of a free space optical coherent communication system using QPSK modulation and heterodyne downconvertion that uses adaptive optics techniques and digital signal processing to mitigate turbulenceinduced phase fluctuations and channel impairments in coherent receivers. A new method for generating atmospheric turbulence based on binary computer generated holography (BCGH) using binary arrays is presented and its performance is evaluated. The feasibility of FSO coherent systems working with adaptive optics is demonstrated and the system performance in terms of the BER is experimentally evaluated under the influence of atmospheric turbulence. The resulting system performance is compared against the theoretical models. The viability of the approach to improve the system efficiency and sensitivity of coherent receivers is experimentally demonstrated.En los últimos años las comunicaciones ópticas en el espacio libre han sido propuestas, analizadas e implementadas debido, principalmente, al gran ancho de banda disponible mediante esta tecnología. Aún así, en la práctica, los sistemas de radiofrecuencia (RF) han sido mantenidos en las aplicaciones comerciales debido a la mejora de los dispositivos utilizados y al desarrollo de equipos electrónicos con gran velocidad de procesado. Hoy en día la situación está cambiando como consecuencia de un incremento en la tasa de transmisión requerida en sistemas de comunicaciones terrestres y en el espacio exterior. El cambio de sistemas de RF hacia sistemas ópticos en el espacio libre implica una serie de ventajas clave que motiva la transición hacia estas tecnologías. La primera y gran ventaja de trabajar con frecuencias pertenecientes al espectro óptico es el aumento del ancho de banda disponible, ya que trabajar a alta frecuencia implica directamente un incremento en el ancho de banda. Además, la eficiencia en términos de potencia es incrementada, ya que, para un tamaño de antena fijo, la potencia de señal recivida es proporcional al inverso de la longitud de onda al cuadrado. De especial interés es el desarrollo de sistemas de comunicaciones ópticos que utilicen modulaciones complejas, lo que implica una mayor eficiencia espectral y una mayor robustez contra efectos perniciosos introducidos por el canal. La detección coherente es una avanzada técnica que permite un aumento en la eficiencia espectral y maximiza la eficiencia de la potencia recibida. Esto es debido a que los simbolos son demodulados utilizando las señales en fase y cuadratura, aumentando los grados de libertad del sistema. En este contexto, los efectos de la atmósfera sobre las comunicaciones ópticas coherentes deben ser analizadas en detalle. Las turbulencias atmosféricas distorsionan el frente de onda y son responsables del deterioro de la tasa de error en las comunicaciones ópticas en el espacio libre. El uso de óptica adaptativa para mitigar los efectos de turbulencia atmosphérica abre una ventana a la implementación de la próxima generación de sistemas de comunicaciones, basados en tecnologías coherentes. En este trabajo se describe la implementación de un sistema completo de comunicaciones ópticas coherentes utilizando una modulación coherente (QPSK) y detección heterodina. Un sistema de óptica adaptativa y algoritmos de procesado de señal son implementados con el objetivo de mitigar los diferentes efectos introducidos por el canal. Por otro lado, un nuevo método para generar frentes de onda distorsionados por el canal atmosférico es desarrollado y su eficiencia es analizada. Este método se basa en el uso de holografía binaria generada por computador (BCGH) junto con un dispositivo de modulación óptica binaria de bajo coste (DLP). El funcionamiento del sistema completo es verificado y su eficiencia, en términos de tasa de error, son analizados. La eficiencia obtenida experimentalmente es comparada contra los modelos teóricos propuestos en la literatura. La viabilidad del uso de óptica adaptativa para mitigar efectos en sistemas ópticos coherentes es experimentalmente demostrada

Optical technology Apollo extension system, part I. Volume 1 /1 of 2/. Section 1 - Introduction. Section 2 - Experiment development Final technical report

Optical technology experiments of Optical Technology Apollo Extension Syste

Photonic Millimeter Wave Signal Generation and Transmission Over Hybrid Links in 5G Communication Networks

[ES] El estándar de quinta generación (5G) es la clave potencial para satisfacer el aumento exponencial en la demanda de nuevas aplicaciones, servicios y usuarios. La tecnología 5G ofrecerá una latencia extremadamente baja de 1 ms, una velocidad máxima de datos de 10 Gbit/s, una alta densidad de conexión de hasta 106 dispositivos/km2 y permitirá una alta movilidad de los dispositivos de hasta 500 km/h. En esta Tesis se proponen varias soluciones basadas en tecnologías habilitadoras para el despliegue de redes 5G. La arquitectura de la red de acceso de radio en la nube (C-RAN) se emplea junto con las técnicas de Fotónica de Microondas como una solución prometedora para generar y transmitir señales de ondas milimétricas (mmW) en la próxima generación de comunicaciones móviles. La tecnología radio sobre fibra (RoF) ha demostrado ser una buena opción para enfrentarse al desafío de la distribución inalámbrica mmW debido a la gran distancia de transmisión, el gran ancho de banda y la inmunidad a las interferencias electromagnéticas, entre algunas de las principales ventajas. Además, esta tecnología se puede ampliar con comunicaciones ópticas de espacio libre (FSO) en sistemas de radio sobre FSO (RoFSO) en las redes inalámbricas. En esta Tesis, las señales mmW se generan fotónicamente mediante modulación externa de doble banda lateral con supresión de portadora (CS-DSB) y se distribuyen a través de enlaces fronthaul híbridos RoF/FSO. Además, la generación múltiple de señales permite la distribución reconfigurable en canales multiplexados por división de longitud de onda (WDM) desde una oficina central hasta las estaciones base, y se ha evaluado el impacto de las turbulencias producidas en los canales FSO sobre las señales mmW generadas fotónicamente en términos de fluctuaciones de potencia y ruido de fase de la señal. Se propone la técnica de modulación directa de un láser (DML) como solución principal para la transmisión de datos a través de enlaces ópticos híbridos que emplean un esquema de multiplicación de frecuencias ópticas, es decir, CS-DSB, para la generación de señales de mmW. En concreto, se evalúan teórica y experimentalmente los esquemas de generación fotónica local y remoto de señales mmW y se comparan para su implementación práctica en la red frontal de la C-RAN y, además, se estudia experimentalmente el impacto de la distorsión armónica y de la intermodulación en la transmisión de datos. Igualmente, con el fin de obtener la capacidad que ofrece el DML en términos de ancho de banda, también se presenta una evaluación teórica y experimental del efecto de la dispersión de la fibra y el chirp sobre diferentes anchos de banda de señales de M-modulación de amplitud en cuadratura (QAM). No obstante, la Tesis también incluye otro enfoque para la transmisión de datos basado en el uso de otro modulador externo. En este caso, la demostración experimental de la generación de señales ópticas empleando CS-DSB y la transmisión de señales a través de fibra híbrida y red frontal FSO se completa con un enlace de antena que permite transmitir señales 5G 64/256-QAM. La investigación realizada con los sistemas CS-DSB y DSB también permiten comparar la robustez frente al desvanecimiento inducido por la dispersión cromática de la fibra. Además, se ha realizado una evaluación experimental impacto las turbulencias producidas en los canales FSO sobre las señales mmW generadas fotónicamente con diferentes distribuciones térmicas y se ha cuantificado la degradación de la señal de datos de acuerdo con las condiciones de la turbulencia. Como demostradores finales, esta Tesis incluye un sistema de transmisión full-dúplex que emplea señales 5G en enlace descendente (DL) a 39 GHz y en enlace ascendente (UL) a 37 GHz; y la transmisión de señales OFDM LTE de 60 GHz (DL) y 25 GHz (UL) sobre una infraestructura heterogénea de frontal óptico que consiste en fibra óptica de 10 km, un canal FSO de 100 m y un enlace de radio inalámbrico de 2 m.[CA] L'estàndard de quinta generació (5G) és la clau potencial per a satisfer l'augment exponencial en la demanda de noves aplicacions, serveis i usuaris. La tecnologia 5G oferirà una latència extremadament baixa d'1 ms, una velocitat màxima de dades de 10 Gbit/s, una alta densitat de connexió de fins a 106 dispositius/km2 i permetrà una alta mobilitat dels dispositius de fins a 500 km/h. En aquesta tesi es proposen diverses solucions basades en tecnologies habilitadores per al desplegament de xarxes 5G. L'arquitectura de la xarxa d'accés de ràdio en el núvol (CRAN) s'empra junt amb les tècniques de Fotònica de Microones com una solució prometedora per a generar i transmetre senyals d'ones mil·limètriques (mmW) en la pròxima generació de comunicacions mòbils. La tecnologia ràdio sobre fibra ( RoF) ha demostrat ser una bona opció per a enfrontar-se al desafiament de la distribució sense fil mmW a causa de la gran distància de transmissió, el gran ample de banda i la immunitat a les interferències electromagnètiques, entre alguns dels principals avantatges. A més, aquesta tecnologia es pot ampliar amb comunicacions òptiques d'espai lliure (FSO) en sistemes de ràdio sobre FSO (RoFSO) en les xarxes sense fil. En aquesta Tesi, els senyals mmW es generen fotònicament per mitjà de modulació externa de doble banda lateral amb supressió de portadora (CS-DSB) i es distribueixen a través d'enllaços frontals híbrids RoF/FSO.. A més, la generació múltiple de senyals permet la distribució reconfigurable en canals multiplexats per divisió de longitud d'ona ( WDM) des d'una oficina central fins a les estacions base, i s'ha avaluat l'impacte de les turbulències produïdes en els canals FSO sobre els senyals mmW generades fotònicament en termes de fluctuacions de potència i soroll de fase del senyal. Aquest treball proposa la tècnica de modulació directa d'un làser (DML) com solució principal per a la transmissió de dades a través d'enllaços òptics híbrids que fan servir un esquema de multiplicació de freqüències òptiques, és a dir, CS-DSB, per a la generació de senyals de mmW. En concret, s'avalua teòric i experimentalment els esquemes de generació fotònica local i remota de senyals mmW i es comparen per a la seua implementació pràctica a la xarxa frontal de la C-RAN i a més, s'estudia experimentalment l'impacte de la distorsió harmònica i de la intermodulació en la transmissió de dades. Igualment, amb el fi d'obtindre la capacitat que ofereix el DML en termes d'amplada de banda, també es presenta una avaluació teòrica i experimental de l'efecte de la dispersió de la fibra i el chirp sobre diferents amples de banda de senyals de M-modulació d'amplitud en quadratura (QAM). No obstant això, la Tesis també inclou altre enfocament per a la transmissió de dades basat amb l¿ús d'altre modulador extern. En aquest cas, la demostració experimental de la generació de senyals òptics emprant CS-DSB i la transmissió de senyals a través de fibra híbrida i xarxa frontal FSO es completa com un enllaç d'antena que permet transmetre senyals 5G 64/256-QAM. La investigació realitzada amb els sistemes CS-DSB i DSB també permet comparar la seua robustesa davant l¿esvaïment induït per la dispersió cromàtica. A més, s'ha avaluat experimentalment l'impacte de les turbulències produïdes en els canals FSO sobre els senyals mmW generades fotònicament amb diferents distribucions tèrmiques i s'ha quantificat la degradació del senyal de dades d'acord amb les condicions de la turbulència. Com a demostradors finals, aquesta Tesi inclou un sistema de transmissió full-dúplex que empra senyals 5G en enllaç descendent (DL) a 39 GHz i en enllaç ascendent (UL) a 37 GHz; i la transmissió de senyals OFDM LTE de 60 GHz (DL) i 25 GHz (UL) sobre una infraestructura heterogènia de frontal òptic que consisteix en fibra òptica de 10 km, un canal FSO de 100 m i un enllaç de ràdio sense fil de 2 m.[EN] The fifth generation (5G) standard is the potential key to meet the exponentially increasing demand of the emerging applications, services and mobile end users. 5G technology will offer an extremely low latency of 1 ms, peak data rate of 10 Gbit/s, high contention density up to 106 devices/km2 and enable high mobility up to 500 km/h. This Thesis proposes several solutions based on enabling technologies for deploying 5G networks. Cloud-radio access network (C-RAN) architecture is employed in conjunction with microwave photonics techniques as a promising solution to generate and transmit millimeter wave (mmW) signals in the next generation of mobile communications. Radio over fiber (RoF) has been demonstrated as a good option to face the challenge of mmW wireless distribution, due to long transmission distance, large bandwidth and immunity to electromagnetic interference, as some of the main advantages. Moreover, this technology can be extended with free-space optical (FSO) communications in Radio over FSO systems (RoFSO) as wireless networks. In this Thesis, mmW signals are photonically generated by carrier suppressed double sideband (CS-DSB) external modulation and distributed over hybrid RoF/FSO fronthaul links. Moreover, multiple generated signals allow reconfigurable distribution in wavelength-division multiplexed (WDM) channels from a central office to the base stations, and the impact of turbulent FSO channels on photonically generated mmW signals has been evaluated in terms of power signal fluctuations and phase noise. A directly modulated laser (DML) is proposed as a major solution for signal transmission over hybrid optical links employing optical frequency multiplication scheme, i.e. CS-DSB, for mmW signal generation. Moreover, local and remote photonic mmW signal generation schemes are theoretically and experimentally evaluated and compared for practical deployment in C-RAN fronthaul network while the impact of harmonic and intermodulation distortion on data transmission is also experimentally studied. Furthermore, for the sake of obtaining the DML usability in terms of bandwidth, theoretical and experimental evaluation of the effect of fiber dispersion and chirp over different M-quadrature amplitude modulation (QAM) signals bandwidth is also presented. Another data transmission approach based on the cascade of two external modulators is also employed in the Thesis. In this case, the experimental demonstration of optical signal generation employing CS-DSB and signal transmission over hybrid fiber and FSO fronthaul network is completed with a seamless antenna link leading to successful transmission of 64/256-QAM 5G signals. The CS-DSB and DSB schemes are also investigated for the sake of comparison in terms of robustness against fiber chromatic dispersion-induced fading. Furthermore, experimental evaluation of the impact of turbulent FSO links on photonically generated mmW signals with different thermal distributions has been performed and data signal degradation has been quantified according to the turbulence conditions. As final demonstrators, the Thesis includes a full-duplex transmission system employing 39 GHz downlink (DL) and 37 GHz uplink (UL) 5G signals over hybrid links; and 60 GHz (DL) and 25 GHz (UL) OFDM LTE signal transmission over an heterogeneous optical fronthaul infrastructure consisting of 10 km optical fiber, 100 m FSO channel and 2 m wireless radio link.I would like to acknowledge the financial support given by Research Excellence Award Programme GVA PROMETEO 2017/103 Future Microwave Photonics and European Network for High Performance Integrated Microwave Photonics (EUIMWP) CA16220.Vallejo Castro, L. (2022). Photonic Millimeter Wave Signal Generation and Transmission Over Hybrid Links in 5G Communication Networks [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/19025