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Free-space optical communication

An eight-beam free-space–optics laser link, rated for 1 Gbit/s. The receptor is the large lens in the middle, the transmitters the smaller ones. At the top right corner is a m...

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An eight-beam free-space–optics laser link, rated for 1 Gbit/s. The receptor is the large lens in the middle, the transmitters the smaller ones. At the top right corner is a monocular for assisting the alignment of the two heads.

Free-space optical communication (FSO) is an optical communication technology that uses light propagating in free space to wirelessly transmit data for telecommunications or computer networking over long distances. "Free space" means air, outer space, vacuum, or something similar. This contrasts with using solids such as optical fiber cable. The technology is useful where the physical connections are impractical due to high costs or other considerations.

History

A photophone receiver and headset, one half of Bell and Tainter's optical telecommunication system of 1880

Optical communications, in various forms, have been used for thousands of years. The ancient Greeks used a coded alphabetic system of signalling with torches developed by Cleoxenus, Democleitus and Polybius.[1] In the modern era, semaphores and wireless solar telegraphs called heliographs were developed, using coded signals to communicate with their recipients.

In 1880, Alexander Graham Bell and his assistant Charles Sumner Tainter created the photophone, at Bell's newly established Volta Laboratory in Washington, DC. Bell considered it his most important invention. The device allowed for the transmission of sound on a beam of light. On June 3, 1880, Bell conducted the world's first wireless telephone transmission between two buildings, some 213 meters (699 feet) apart.[2][3]

Its first practical use came in military communication systems many decades later, first for optical telegraphy. German colonial troops used heliograph telegraphy transmitters during the Herero Wars starting in 1904, in German South-West Africa (today's Namibia) as did British, French, US or Ottoman signals.

WW I German Blinkgerät

Durante la guerra de trincheras de la Primera Guerra Mundial, cuando las comunicaciones por cable se interrumpían con frecuencia, las señales alemanas utilizaban tres tipos de transmisores ópticos Morse llamados Blinkgerät . El tipo intermedio tenía un alcance de hasta 4 km (2,5 millas) durante el día y de hasta 8 km (5,0 millas) por la noche, utilizando filtros rojos para evitar ser detectado. Las comunicaciones telefónicas ópticas se probaron al final de la guerra, pero no se implementaron a nivel de las tropas. Además, se utilizaron Blinkgerät especiales para la comunicación con aviones, globos y tanques, con resultados variables.    

Un importante avance tecnológico fue la sustitución del código Morse mediante la modulación de ondas ópticas en la transmisión del habla. Carl Zeiss, de Jena, desarrolló el Lichtsprechgerät 80/80  (traducción literal: dispositivo óptico de comunicación) que el ejército alemán utilizó en sus unidades de defensa antiaérea durante la Segunda Guerra Mundial , o en los búnkeres del Muro Atlántico . [ 4 ]

La invención de los láseres en la década de 1960 revolucionó la óptica de espacio libre. Las organizaciones militares mostraron un interés particular e impulsaron su desarrollo. En 1973, mientras desarrollaban prototipos de las primeras impresoras láser en PARC , Gary Starkweather y otros crearon un enlace óptico CAN dúplex de 30 Mbit/s utilizando telescopios astronómicos y láseres HeNe para enviar datos entre oficinas; eligieron este método debido, en parte, a las regulaciones menos estrictas (en ese momento) sobre la comunicación óptica de espacio libre por parte de la FCC . [ 5 ] Sin embargo, la óptica de espacio libre basada en láser perdió impulso en el mercado cuando la instalación de redes de fibra óptica para usos civiles estaba en su apogeo.

Muchos mandos a distancia sencillos y económicos para el consumidor utilizan comunicación de baja velocidad mediante luz infrarroja (IR). Esto se conoce como tecnología IR de consumo .

Uso y tecnologías

Los enlaces ópticos punto a punto en espacio libre pueden implementarse mediante luz láser infrarroja, aunque también es posible la comunicación a baja velocidad de datos a corta distancia utilizando LED . La tecnología de Asociación de Datos Infrarrojos (IrDA) es una forma muy sencilla de comunicaciones ópticas en espacio libre. En el ámbito de las comunicaciones, la tecnología FSO se considera parte de las aplicaciones de comunicaciones ópticas inalámbricas . La óptica en espacio libre puede utilizarse para la comunicación entre naves espaciales . [ 6 ]

Distancias útiles

The reliability of FSO units has always been a problem for commercial telecommunications. Consistently, studies find too many dropped packets and signal errors over small ranges (400 to 500 meters (1,300 to 1,600 ft)). This is from both independent studies, such as in the Czech Republic,[7] as well as internal studies, such as one conducted by MRV FSO staff.[8]

Military based studies consistently produce longer estimates for reliability, projecting the maximum range for terrestrial links is of the order of 2 to 3 km (1.2 to 1.9 mi).[9] All studies agree the stability and quality of the link is highly dependent on atmospheric factors such as rain, fog, dust and heat. Relays may be employed to extend the range for FSO communications.[10][11]

TMEX USA ran two eight-mile links between Laredo, Texas and Nuevo Laredo, Mexico from 1998[12] to 2002. The links operated at 155 Mbit/s and reliably carried phone calls and internet service.[13]

Extending the useful distance

DARPA ORCA official concept art created c.2008

The main reason terrestrial communications have been limited to non-commercial telecommunications functions is fog. Fog often prevents FSO laser links over 500 meters (1,600 ft) from achieving a year-round availability sufficient for commercial services. Several entities are continually attempting to overcome these key disadvantages to FSO communications and field a system with a better quality of service. DARPA has sponsored over US$130 million in research toward this effort, with the ORCA and ORCLE programs.[14][15][16]

Other non-government groups are fielding tests to evaluate different technologies that some claim have the ability to address key FSO adoption challenges. As of October 2014, none have fielded a working system that addresses the most common atmospheric events.

FSO research from 1998 to 2006 in the private sector totaled $407.1 million, divided primarily among four start-up companies. All four failed to deliver products that would meet telecommunications quality and distance standards:[17]

  • Terabeam recibió aproximadamente 575 millones de dólares en financiación de inversores como Softbank, Mobius Venture Capital y Oakhill Venture Partners. AT&T y Lucent respaldaron este intento. [ 18 ] [ 19 ] El trabajo finalmente fracasó, y la empresa fue comprada en 2004 por 52 millones de dólares (excluyendo warrants y opciones) por YDI, con sede en Falls Church, Virginia, con efecto a partir del 22 de junio de 2004, y utilizó el nombre Terabeam para la nueva entidad. El 4 de septiembre de 2007, Terabeam (entonces con sede en San José, California) anunció que cambiaría su nombre a Proxim Wireless Corporation y cambiaría su símbolo bursátil en el NASDAQ de TRBM a PRXM. [ 20 ]
  • AirFiber recibió 96,1 millones de dólares en financiación, pero nunca resolvió el problema meteorológico. Vendieron la empresa a MRV Communications en 2003, y MRV vendió sus unidades FSO hasta 2012, cuando se anunció abruptamente el fin de la vida útil de la serie Terescope. [ 21 ]
  • LightPointe Communications recibió 76 millones de dólares en fondos iniciales y, finalmente, se reorganizó para vender unidades híbridas FSO-RF para superar los desafíos relacionados con el clima. [ 22 ]
  • La corporación Maxima publicó su teoría de funcionamiento en Science [ 23 ] y recibió 9 millones de dólares en financiación antes de cerrar definitivamente. No se tiene constancia de ninguna escisión o adquisición posterior a este esfuerzo.
  • Wireless Excellence desarrolló y lanzó soluciones CableFree UNITY que combinan FSO con tecnologías de ondas milimétricas y radio para extender la distancia, la capacidad y la disponibilidad, con el objetivo de hacer de FSO una tecnología más útil y práctica. [ 24 ]

Una empresa privada publicó un documento el 20 de noviembre de 2014, afirmando haber alcanzado una fiabilidad comercial (99,999 % de disponibilidad) en condiciones de niebla extrema. No hay indicios de que este producto esté disponible comercialmente en la actualidad. [ 25 ]

Extraterrestre

Las enormes ventajas de la comunicación láser en el espacio han llevado a varias agencias espaciales a competir por desarrollar una plataforma de comunicación espacial estable, con numerosas demostraciones y logros significativos.

Mynaric construyó una terminal para comunicaciones ópticas por satélite.

Sistemas operativos

La primera comunicación láser de gigabit fue lograda por la Agencia Espacial Europea y se denominó Sistema Europeo de Retransmisión de Datos (EDRS, por sus siglas en inglés) el 28 de noviembre de 2014. El sistema está operativo y se utiliza a diario.

In December 2023, the Australian National University (ANU) demonstrated its Quantum Optical Ground Station at its Mount Stromlo Observatory. QOGS uses adaptive optics and lasers as part of a telescope, to create a bi-directional communications system capable of supporting the NASAArtemis program to the Moon.[26]

Demonstrations

A two-way distance record for communication was set by the Mercury laser altimeter instrument aboard the MESSENGER spacecraft. It was able to communicate across a distance of 24 million km (15 million mi), as the craft neared Earth on a fly-by in May 2005. The previous record had been set with a one-way detection of laser light from Earth by the Galileo probe, of 6 million km (3.7 million mi) in 1992.

In January 2013, NASA used lasers to beam an image of the Mona Lisa to the Lunar Reconnaissance Orbiter roughly 390,000 km (240,000 mi) away. To compensate for atmospheric interference, an error correction code algorithm similar to that used in CDs was implemented.[27]

In the early morning hours of October 18, 2013, NASA's Lunar Laser Communication Demonstration (LLCD) transmitted data from lunar orbit to Earth at a rate of 622 megabits per second (Mbit/s).[28] LLCD was flown aboard the Lunar Atmosphere and Dust Environment Explorer (LADEE) spacecraft, whose primary science mission was to investigate the tenuous and exotic atmosphere that exists around the Moon.

Between April and July 2014 NASA's OPALS instrument successfully uploaded 175 megabytes in 3.5 seconds and downloaded 200–300 MB in 20 s.[29] Their system was also able to re-acquire tracking after the signal was lost due to cloud cover.

On December 7, 2021 NASA launched the Laser Communications Relay Demonstration (LCRD), which aims to relay data between spacecraft in geosynchronous orbit and ground stations. LCRD is NASA's first two-way, end-to-end optical relay. LCRD uses two ground stations, Optical Ground Station (OGS)-1 and -2, at Table Mountain Observatory in California, and Haleakalā, Hawaii.[30] One of LCRD's first operational users is the Integrated LCRD Low-Earth Orbit User Modem and Amplifier Terminal (ILLUMA-T), on the International Space Station. The terminal will receive high-resolution science data from experiments and instruments on board the space station and then transfer this data to LCRD, which will then transmit it to a ground station. After the data arrives on Earth, it will be delivered to mission operation centers and mission scientists. The ILLUMA-T payload was sent to the ISS in late 2023 on SpaceX CRS-29, and achieved first light on December 5, 2023.[31][32]

On April 28, 2023, NASA and its partners achieved 200 gigabit per second (Gbit/s) throughput on a space-to-ground optical link between a satellite in orbit and Earth. This was achieved by the TeraByte InfraRed Delivery (TBIRD) system, mounted on NASA's Pathfinder Technology Demonstrator 3 (PTD-3) satellite.[33]

Commercial use

Various satellite constellations that are intended to provide global broadband coverage, such as SpaceXStarlink, employ laser communication for inter-satellite links. This effectively creates a space-based optical mesh network between the satellites.

LEDs

RONJA is a free implementation of FSO using high-intensity LEDs.

In 2001, Twibright Labs released RONJA Metropolis, an open-source DIY 10 Mbit/s full-duplex LED FSO system that can span 1.4 km (0.87 mi).[34][35]

En 2004, se formó en Japón un consorcio de comunicación por luz visible . [ 36 ] Este se basó en el trabajo de investigadores que utilizaron un sistema de iluminación espacial basado en LED blancos para comunicaciones de red de área local (LAN) en interiores. Estos sistemas presentan ventajas sobre los sistemas tradicionales basados ​​en RF UHF debido a un mejor aislamiento entre sistemas, el tamaño y el costo de los receptores/transmisores, las leyes de licencias de RF y la combinación de iluminación espacial y comunicación en el mismo sistema. [ 37 ] En enero de 2009, el grupo de trabajo del Instituto de Ingenieros Eléctricos y Electrónicos (IEEE) para estándares de redes de área personal inalámbricas, conocido como IEEE 802.15.7 , formó un grupo de trabajo para la comunicación por luz visible . [ 38 ] En 2010 se anunció una prueba en St. Cloud, Minnesota . [ 39 ]

Los radioaficionados han logrado distancias significativamente mayores utilizando fuentes de luz incoherentes de LED de alta intensidad. Uno informó de 278 km (173 mi) en 2007. [ 40 ] Sin embargo, las limitaciones físicas del equipo utilizado limitaron los anchos de banda a unos 4 kHz . La alta sensibilidad requerida del detector para cubrir tales distancias hizo que la capacitancia interna del fotodiodo utilizado fuera un factor dominante en el amplificador de alta impedancia que lo seguía, formando así naturalmente un filtro de paso bajo con una frecuencia de corte en el rango de 4 kHz. Los láseres pueden alcanzar velocidades de datos muy altas que son comparables a las comunicaciones por fibra.   

Las tasas de datos proyectadas y las afirmaciones sobre tasas de datos futuras varían. Un LED blanco de bajo costo (fósforo de GaN) que podría usarse para iluminación espacial puede modularse típicamente hasta 20  MHz. [ 41 ] Se pueden lograr tasas de datos de más de 100 Mbit/s usando esquemas de modulación eficientes y Siemens afirmó haber logrado más de 500  Mbit/s en 2010. [ 42 ] Una investigación publicada en 2009 usó un sistema similar para el control de tráfico de vehículos automatizados con semáforos LED. [ 43 ]

In September 2013, pureLiFi, the Edinburgh start-up working on Li-Fi, also demonstrated high speed point-to-point connectivity using any off-the-shelf LED light bulb. In previous work, high bandwidth specialist LEDs have been used to achieve the high data rates. The new system, the Li-1st, maximizes the available optical bandwidth for any LED device, thereby reducing the cost and improving the performance of deploying indoor FSO systems.[44]

Engineering details

Typically, the best scenarios for using this technology are:

  • LAN-to-LAN connections on campuses at Fast Ethernet or Gigabit Ethernet speeds
  • LAN-to-LAN connections in a city, a metropolitan area network
  • To cross a public road or other barriers which the sender and receiver do not own
  • Speedy service delivery of high-bandwidth access to optical fiber networks
  • Converged voice-data connection
  • Temporary network installation (for events or other purposes)
  • Reestablish high-speed connection quickly (disaster recovery)
  • As an alternative or add-on to existing wireless technologies
    • Especially powerful in combination with automatic aiming systems, in moving vehicles
  • As a safety add-on for important fiber connections (redundancy)
  • For communications between spacecraft, including elements of a satellite constellation
  • For inter- and intra-chip communication[45]

The light beam can be very narrow, which makes FSO hard to intercept, improving security. Encryption can secure the data traversing the link. FSO provides vastly improved electromagnetic interference (EMI) behavior compared to using microwaves.

Technical advantages

Range-limiting factors

For terrestrial applications, the principal limiting factors are:

These factors cause an attenuated receiver signal and lead to higher bit error ratio (BER). To overcome these issues, vendors found some solutions, like multi-beam or multi-path architectures, which use more than one sender and more than one receiver. Some state-of-the-art devices also have larger fade margin (extra power, reserved for rain, smog, fog). To keep an eye-safe environment, good FSO systems have a limited laser power density and support laser classes1 or 1M. Atmospheric and fog attenuation, which are exponential in nature, limit practical range of FSO devices to several kilometers. However, free-space optics based on 1550 nm wavelength, have considerably lower optical loss than free-space optics using 830 nm wavelength, in dense fog conditions. FSO using wavelength 1550 nm system are capable of transmitting several times higher power than systems with 850 nm and are safe to the human eye (1M class). Additionally, some free-space optics, such as EC SYSTEM,[47] ensure higher connection reliability in bad weather conditions by constantly monitoring link quality to regulate laser diode transmission power with built-in automatic gain control.[47]

See also

References

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  3. ↑Alexander Graham Bell (October 1880). "On the Production and Reproduction of Sound by Light". American Journal of Science. Third Series. XX (118): 305–324. Bibcode:1880AmJS...20..305B. doi:10.2475/ajs.s3-20.118.305. S2CID 130048089. also published as "Selenium and the Photophone" in Nature, September 1880.
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Further reading

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  • Explanation of Fresnel zones in microwave and optical links
  • video showing Lichtsprechgerät 80 in use on YouTube
  • International Space Station to Beam Video Via Laser Back to EarthArchived 2023-02-04 at the Wayback Machine, March 2014 NASA's Optical Payload for Lasercomm Science demonstration mission to the ISS
  • Wireless Optical Link Budget (with python examples)