Investigation of polarization modulation in optical free space communications through the atmosphere

Abstract

Zsfassung in dt. SpracheUm den ständig steigenden Bandbreitebedarf abzudecken, der mit der Entstehung immer neuerer Kommunikationsanwendungen verbunden ist, werden innovative Technologien benötigt. Optische Freistrahlkommunikation mit Hilfe von Lasern ist eine viel versprechende Kandidatin für diese Anwendungen, sie erlaubt das Übertragen von Informationen bei hohen Datenraten mittels eines kollimierten Laserstrahls. Dabei werden kompakte und leichte Endgeräte verwendet. Im Vergleich zu Mikrowellensystemen treten weniger Interferenzprobleme mit anderen Systemen auf, außerdem liegen die optischen Frequenzen außerhalb der regulierten Frequenzbänder. Während optische Kommunikationsverbindungen zwischen Satelliten bereits Standard sind, kommt es bei Laserkommunikation durch die Atmosphäre zu Leistungseinbußen aufgrund von Bewölkung, schlechten Wetterverhältnissen und atmosphärischen Turbulenzen. Wissenschaftliche Arbeiten zu diesem Thema beschäftigten sich bisher hauptsächlich mit intensitätsmodulierten Systemen. Ob Systeme basierend auf Polarisationsmodulation intensitätsmodulierte Systeme übertreffen, soll in dieser Arbeit untersucht werden, da die Polarisation eines der stabilsten Eigenschaften des Laserstrahls bei Durchgang durch die Atmosphäre zu sein scheint. Ein genauer und detaillierter Vergleich der beiden Modulationsarten ist daher von großem Interesse.In meiner Diplomarbeit habe ich ein digitales Polarisationsmodulationssystem (PolSK) mit direktem Empfänger entworfen.Dazu habe ich eine kommerziell erhältliche Software verwendet, die die Simulation von optischen Nachrichtentechniksystemen erlaubt. Zwei Empfängerstrukturen wurden realisiert, eine mit und eine ohne optischen Vorverstärker. Ein Vergleich mit einem intensitätsmodulierten System (OOK) hat gezeigt, dass PolSK in spitzenleistungsbegrenzten Systemen um 3 dB besser ist als OOK. Besonderes Augenmerk ist auf optisch vorverstärkte Empfänger und deren Nichtidealitäten gelegt worden.Nichtidealitäten sind zum Beispiel eine nicht ideale Polarisationsweiche, eine nicht ideale PIN Photodiode mit Transimepedanzverstärker oder nicht ideale optische und elektrische Leitungen. Diese Simulationen haben auch bei der Abschätzung des Einflusses der Atmosphäre im Bezug auf die Empfängersensitivität geholfen.Ein Einfluss der Atmosphäre auf die Polarisation eines Laserstrahls wird mit Hilfe von polarimetrischen Messungen abgeschätzt. Die Polarimetrie ist ein Forschungsgebiet in der Astronomie. Ein Vergleich von Messungen von teilweise polarisiertem Sternenlicht auf der Erde und im Weltall (Hubble Space Telescope) gibt Aufschluss über einen solchen Einfluss.Basierend auf diesen Daten habe ich einen geringen und vernachlässigbaren atmosphärischen Einfluss auf die Polarisation festgestellt.Für eine praktische Realisierung von PolSK-Systemen mit optischen Vorverstärkern habe ich eine Marktstudie gemacht, um die geeigneten Komponenten dafür zu finden. Zwei Realisierungsarten für hochempfindliche Empfänger mit PIN Photodioden werden präsentiert. Obwohl die Komplexität eines PolSK-Systems größer ist als bei einem OOK-System überwiegen die Vorteile in spitzenleistungsbegrenzten Systemen, wie zum Beispiel die konstante Einhüllende des Sendesignals und der 3 dB Gewinn in der Empfängersensitivität. Daher ist Polarisationsmodulation eine viel versprechende Kandidatin um Systeme mit Intensitätsmodulation in der optischen Freistrahlkommunikation durch die Atmosphäre abzulösen.Innovative technologies are required to satisfy the ever increasing bandwidth demand associated with new communication services.Optical free space laser communications - with its ability to transmit information via a collimated laser beam at high data rates using compact, low-mass terminals, while avoiding interference problems and without exhausting the radio-frequency bandwidths - is a promising candidate in the field. While optical intersatellite links are state-of-the-art technology, laser communications from ground suffers from cloud coverage, harsh weather conditions, and atmospheric turbulence. Most of the previous work on optical free space laser communications through the atmosphere was concentrated on intensity modulated systems. However, polarization modulated systems may be more appropriate for such communication links, because the polarization seems to be the most stable characteristic of a laser beam while propagating through the atmosphere. Thus, a detailed comparison between intensity and polarization modulated systems is of big interest.In my thesis I have implemented a direct detection digital polarization shift keying (PolSK) system with the aid of a commercially available software to simulate the behavior of optical transmission systems. Two receiver structures are realized, for the absence and for the presence of optical amplification in the receiver. A comparison with intensity modulated systems shows that PolSK outperforms on-off keying (OOK) systems in terms of peak optical power by about 3 dB.Special attention is given to the PolSK receiver with optical preamplification and the non-idealities which arise in such systems, e.g., a non-ideal polarization beam splitter, a non-ideal PIN photodiode with transimpedance amplifier, or non-ideal optical and electrical wires. The simulations also help to assess penalties in the receiver's sensitivity when investigating the influence of the atmosphere.The influence of the atmosphere on the polarization of a laser beam is assessed in terms of polarimetry, a field of research in astronomy. A comparison between ground based and space based (Hubble Space Telescope) polarimetric measurements of partially polarized stars gives further information about such an influence. Based on these measurements I showed that the atmospheric influence on the polarization in rather small and thus negligible.For a practical implementation of an PolSK system with optical amplifier a market study is done to list appropriate devices. Two realizations of high sensitivity receivers, which use PIN photodiodes as detectors, are presented. Although the complexity of an PolSK system is higher than that of an OOK system, the advantages of PolSK in peak power limited systems such as the constant envelope of the transmit signal and the 3 dB sensitivity gain predominate the disadvantages. Thus, PolSK is a promising candidate to replace OOK as modulation system in optical free space communications through the atmosphere.7