(57)【要約】自由空間の光通信のための電気光学ペイロードは、複数の入来する光信号の夫々の光信号を夫々が受信する複数の光ビーム拡大器と、夫々の光入力信号を夫々の光出力信号へと方向付ける光クロスコネクトスイッチと、光クロスコネクトスイッチの入力部へ結合され、電気信号を、光クロスコネクトスイッチへ入力するために光信号へ変換する電気−光変換回路と、光クロスコネクトスイッチの出力部へ結合され、光クロスコネクトスイッチから出力された光信号を電気信号へ変換する光−電気変換回路と、光クロスコネクトスイッチの出力部へ結合される第２の光−電気変換回路、及び光クロスコネクトスイッチの入力部へ結合される第２の電気−光変換回路を含み、光クロスコネクトスイッチの光出力信号を電気信号へ変換する電気再生回路とを含む。
2017531368.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由空間の光通信のための電気光学ペイロードであって、
複数の入来する光信号の夫々の光信号を夫々が受信する複数の光ビーム拡大器と、
夫々の光入力信号を夫々の光出力信号へと方向付ける光クロスコネクトスイッチと、
前記光クロスコネクトスイッチの入力部へ結合され、電気信号を、前記光クロスコネクトスイッチへ入力するために光信号へ変換する電気−光変換回路と、
前記光クロスコネクトスイッチの出力部へ結合され、前記光クロスコネクトスイッチから出力された光信号を電気信号へ変換する光−電気変換回路と、
前記光クロスコネクトスイッチの出力部へ結合される第２の光−電気変換回路、及び前記光クロスコネクトスイッチの入力部へ結合される第２の電気−光変換回路を含み、前記光クロスコネクトスイッチの光出力信号を電気信号へ変換し、該電気信号に対して再生処理を実行し、該処理された電気信号を、前記光クロスコネクトスイッチへ入力される光信号へ変換する電気再生回路と
を有し、
前記光クロスコネクトスイッチから出力された光信号の一部は、発射光信号として夫々のあて先へ送信するために夫々の光ビーム拡大器へ入力される、
電気光学ペイロード。
【請求項２】
前記入来する光信号を結合し、該結合された光信号を、該結合された光信号を増幅する単一の光メイン増幅器へ出力する光マルチプレクサと、
前記増幅された結合された光信号を、前記光クロスコネクトスイッチへ出力するためにデマルチプレキシングするデマルチプレクサと
を更に有する請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記光クロスコネクトスイッチ及び夫々の光ビーム拡大器へ光学的に結合され、前記発射光信号を増幅する複数の光パワー増幅器
を更に有する請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
４つの光ビーム拡大器が、両側に１つずつある２つの最も近い隣接衛星、及び両側に１つずつある２つの次に最も近い衛星との光通信のために使用される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項５】
地上サイトとの光通信に関連した前記複数の光ビーム拡大器の夫々は、高密度波長ダイバーシティ多重化（ＤＷＤＭ）を利用して各地上サイトとの双方向リンクを提供するよう構成される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記地上サイトとの光通信に関連した前記複数の光ビーム拡大器の夫々は、偏光及び波長ダイバーシティのうちの１つ以上を利用して双方向リンクにおいて２つのデータストリームを分離するよう更に構成される、
請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記複数の光ビーム拡大器の１つ以上は、地上サイトとの光通信に関連し、所与の地上サイトの少なくとも２つの地上端末を追跡し、自由空間光通信システムが配置されている衛星が前記所与の地上サイトを通過する場合に前記衛星への最もクリアなライン・オブ・サイトを有してデータを接地端末へ送るよう構成される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項８】
前記光クロスコネクトスイッチは、地上オペレーションセンターから１つ以上のスイッチングコマンドを受信して光データ経路を構成し且つ所望の地上サイト間の連続的なコネクティビティを維持するよう構成される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記光信号の１つ以上を増幅するよう構成される１つ以上のレーザ
を更に有する請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記光−電気変換回路からの電気信号は、オンボードの記憶部へ入力される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記光−電気変換回路からの電気信号は、オフボードのあて先への送信のために送信器へ入力される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記電気−光変換回路へ入力される電気信号は、アンテナを介して受信器から受信される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記電気−光変換回路へ入力される電気信号は、オンボードの記憶部から受信される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記電気−光変換回路へ入力される電気信号は、オンボードのセンサから受信される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１５】
前記電気−光変換回路へ入力される電気信号は、オンボードのコンピュータから受信される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１６】
自由空間の光通信のための衛星であって、
１つ以上の地上サイトとの光通信のための複数のアップ／ダウンリンク光学望遠鏡と、
衛星間の光通信のための複数の衛星間望遠鏡と、
電気光学ペイロードと
を有し、
前記電気光学ペイロードは、
複数の入来する光信号の夫々の光信号を夫々が受信する複数の光ビーム拡大器と、
夫々の光入力信号を夫々の光出力信号へと方向付ける光クロスコネクトスイッチと、
前記光クロスコネクトスイッチの入力部へ結合され、電気信号を、前記光クロスコネクトスイッチへ入力するために光信号へ変換する電気−光変換回路と、
前記光クロスコネクトスイッチの出力部へ結合され、前記光クロスコネクトスイッチから出力された光信号を電気信号へ変換する光−電気変換回路と、
前記光クロスコネクトスイッチの出力部へ結合される第２の光−電気変換回路、及び前記光クロスコネクトスイッチの入力部へ結合される第２の電気−光変換回路を含み、前記光クロスコネクトスイッチの光出力信号を電気信号へ変換し、該電気信号に対して再生処理を実行し、該処理された電気信号を、前記光クロスコネクトスイッチへ入力される光信号へ変換する電気再生回路と
を有し、
前記光クロスコネクトスイッチから出力された光信号の一部は、発射光信号として夫々のあて先へ送信するために夫々の光ビーム拡大器へ入力される、
衛星。
【請求項１７】
前記電気光学ペイロードは、
前記入来する光信号を結合し、該結合された光信号を、該結合された光信号を増幅する単一の光メイン増幅器へ出力する光マルチプレクサと、
前記増幅された結合された光信号を、前記光クロスコネクトスイッチへ出力するためにデマルチプレキシングするデマルチプレクサと
を更に有する、請求項１６に記載の衛星。
【請求項１８】
前記電気光学ペイロードは、
前記光クロスコネクトスイッチ及び夫々の光ビーム拡大器へ光学的に結合され、前記発射光信号を増幅する複数の光パワー増幅器
を更に有する、請求項１６に記載の衛星。
【請求項１９】
４つの光ビーム拡大器が、両側に１つずつある２つの最も近い隣接衛星、及び両側に１つずつある２つの次に最も近い衛星の光通信のために使用される、
請求項１６に記載の衛星。
【請求項２０】
前記複数の光ビーム拡大器の１つ以上は、地上サイトとの光通信に関連し、所与の地上サイトの少なくとも２つの地上端末を追跡し、自由空間光通信システムが配置されている衛星が前記所与の地上サイトを通過する場合に前記衛星への最もクリアなライン・オブ・サイトを有してデータを接地端末へ送るよう構成される、
請求項１６に記載の衛星。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信システムに関係があり、より具体的には、そのような光通信システムのためのレーザ変換モジュールに関係がある。
【背景技術】
【０００２】
インターネット・ワールドワイドの使用は、世界中の途上国において高い成長率で増え続けている。しかし、赤道に近い地域における多くの新興ビジネスセンターは、インターネットへのコネクティビティの不良によってハンディを負わされている。それらのセンターは、国内の高帯域幅ネットワーク基盤が限られている国に通常はあり、ときどき、地上及び海底ケーブル接続を実行不可能にする凹凸地によって囲まれている。
【０００３】
それでもなお、それらの国々には、インターネットへの高帯域幅コネクティビティを引き続き求める声が存在する。最も急速に成長している市場の多くは、赤道に近く且つ海底ケーブルを介してうまく接続されない。大国のいくつかについて、内部ネットワーク基盤は比較的未発達である。更には、自然災害も接続を台無しにする可能性があり、影響されたエリアを再接続するために通信ネットワークを迅速に再構成する能力は極めて有用でありうる。十分なサービスを受けていない市場に加えて、有意な且つ高まりつつあるホールセール（wholesale）帯域幅の主たる全地球的通信は、クオリティ・オブ・サービス（Quality  of  Service）アグリメント（agreement）を保つようバックアップ及び置換帯域幅の必要性を有している。
【０００４】
対地静止軌道（ＧＥＯ；Geostationary  Earth  Orbit）通信衛星は、本質的に高いレイテンシーを有しており、一方、他の衛星通信ネットワークは、限られた世界規模のコネクティビティ、低い帯域幅、又はコストの何らかの組み合わせに苦しむ。ＧＥＯ衛星は、衛星ごとに地球のまあまあ大きい部分のカバレッジ（coverage）を提供するが、長い通信経路を有していることで、経路ごとに少なくとも１２０ミリ秒（msec）の信号レイテンシーを引き起こす。更には、複数の跳ね返り（bounces）が、ルーティングを提供するために必要とされることがあり、同じ衛星のフットプリント内にない地上サイト間の接続は、地上接続を必要とすることがある。
【０００５】
近年、中軌道（ＭＥＯ；Medium  Earth  Orbit）衛星のコンステレーション（constellation）は、ＭＥＯ衛星の冗長接続リングを地上サイトのネットワークへリンクすることができるスペースプラットフォームにおける光リレーの必要性を満足するよう設計されてきた。このＭＥＯ衛星のコンステレーションは、トランスペアレントにそれを行うことができ、光フォーマット及び変調スキームとは無関係である。各衛星における通信リレーペイロードは、如何なる機能不全の衛星もネットワークから落とすようネットワークを速やかに再構成することができることで、コンステレーションの発展を支援するよう構成される。しかし、それらの光通信リレーペイロード及びアーキテクチャは、１つ以上の地上サイト（ライトウェイ（Lightway））から他のライトウェイへ宇宙を経由して大量のデータを送信するために最適化されるが、ライトウェイから衛星へデータをアップリンクすること又は衛星からライトウェイへデータをダウンリンクすることの能力はない。本発明は、レーザリレー衛星（ＬＳＲｓ；laser  relay  satellites）が、望まれる場合に、レーザ及び電気（例えば、ＲＦ）リンクの両方を介して、他の衛星と通信することを可能にする。
【発明の概要】
【０００６】
いくつかの実施形態において、本発明は、自由空間の光通信のための電気光学ペイロード（electro-optical  payload）である。電気光学ペイロードは、複数の入来する光信号の夫々の光信号を夫々が受信する複数の光ビーム拡大器と、夫々の光入力信号を夫々の光出力信号へと方向付ける光クロスコネクトスイッチと、前記光クロスコネクトスイッチの入力部へ結合され、電気信号を、前記光クロスコネクトスイッチへ入力するために光信号へ変換する電気−光変換回路と、前記光クロスコネクトスイッチの出力部へ結合され、前記光クロスコネクトスイッチから出力された光信号を電気信号へ変換する光−電気変換回路と、前記光クロスコネクトスイッチの出力部へ結合される第２の光−電気変換回路、及び前記光クロスコネクトスイッチの入力部へ結合される第２の電気−光変換回路を含み、前記光クロスコネクトスイッチの光出力信号を電気信号へ変換する電気再生回路とを含む。前記電気再生回路は、前記電気信号に対して再生処理を実行し、該処理された電気信号を、前記光クロスコネクトスイッチへ入力される光信号へ変換する。前記光クロスコネクトスイッチから出力された光信号の一部は、発射光信号として夫々のあて先へ送信するために夫々の光ビーム拡大器へ入力される。
【０００７】
いくつかの実施形態において、本発明は、自由空間の光通信のための衛星である。衛星は、１つ以上の地上サイトとの光通信のための複数のアップ／ダウンリンク光学望遠鏡（telescope）と、衛星間の光通信のための複数の衛星間望遠鏡と、電気光学ペイロードとを含む。前記電気光学ペイロードは、複数の入来する光信号の夫々の光信号を夫々が受信する複数の光ビーム拡大器と、夫々の光入力信号を夫々の光出力信号へと方向付ける光クロスコネクトスイッチと、前記光クロスコネクトスイッチの入力部へ結合され、電気信号を、前記光クロスコネクトスイッチへ入力するために光信号へ変換する電気−光変換回路と、前記光クロスコネクトスイッチの出力部へ結合され、前記光クロスコネクトスイッチから出力された光信号を電気信号へ変換する光−電気変換回路と、前記光クロスコネクトスイッチの出力部へ結合される第２の光−電気変換回路、及び前記光クロスコネクトスイッチの入力部へ結合される第２の電気−光変換回路を含み、前記光クロスコネクトスイッチの光出力信号を電気信号へ変換する電気再生回路とを含む。
【０００８】
前記電気再生回路は、前記電気信号に対して再生処理を実行し、該処理された電気信号を、前記光クロスコネクトスイッチへ入力される光信号へ変換する。前記光クロスコネクトスイッチから出力された光信号の一部は、発射光信号として夫々のあて先へ送信するために夫々の光ビーム拡大器へ入力される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
本発明並びにその付随する特徴及び態様のより完全な認識は、本発明が以下の詳細な説明を参照して添付の図面とともに検討される場合により良く理解されるようになるにつれて、より容易に明らかになるだろう。図面において、同じ参照符号は同じ構成要素を示す。
【００１０】
【図１】本発明のいくつかの実施形態に従って、光通信した状態の複数の衛星のＭＥＯコンステレーションの例を示す。
【００１１】
【図２】本発明のいくつかの実施形態に従って、クロスリンク望遠鏡及びアップ／ダウンリンク望遠鏡を含む衛星ペイロードの例となるレイアウト図である。
【００１２】
【図３】本発明のいくつかの実施形態に従って、例となるオンボードのハードウェアシステムについての略ブロック図である。
【００１３】
【図４】本発明のいくつかの実施形態に従って、その入力部及び出力部のいくつかで複数のレーザ変換モジュール（ＬＣＭ；laser  conversion  module）を含む光クロスコネクトスイッチの例の略ブロック図である。
【００１４】
【図５】本発明のいくつかの実施形態に従って、再生機能を含むＯ−Ｅ−Ｏレーザ変換モジュール（ＬＣＭ）の例の略ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、これより、その例となる実施形態が示されている添付の図面を参照して、より十分に記載される。なお、本発明は、多くの異なる形態において具現されてよく、本願で示されている実施形態に制限されないものと解されるべきである。むしろ、それらの実施形態は、本開示が徹底的且つ完全であるように提供され、本発明の概念を当業者に十分に伝えるだろう。
【００１６】
いくつかの実施形態において、本発明は、自由空間光通信システムにおけるレーザリレーモジュール（ＬＲＭ；laser  relay  module）のためのレーザ変換モジュールを対象とする。オンボードの（on-board）光学的且つ電気的なハードウェアは、光通信標準の将来の進化に関して可能な限り不可知論であるよう設計され、故に、それは時間とともに時代遅れにならない。地上のハードウェアは、より高い帯域幅をサポートするよう漸進的にアップグレードされ得る。ネットワークは、複数の冗長的な経路及び迅速な再構成を有して、柔軟性が高い。
【００１７】
ＬＲＭの設計は、数百機のそれらを組み立てることを実際的にし、故に、規模の経済は費用を下げる助けとなる。夫々のＬＲＭは、光学領域から電気領域への信号の変換なしで、光学的にトランスペアレントなモードにおいて作動する。しかし、光から電気へ（Ｏ−Ｅ；optical-to-electrical）又は電気から光へ（Ｅ−Ｏ；electrical-optical）の変換を必要とする用途が存在する。ＬＲＭがＯ−Ｅ及びＥ−Ｏ変換をサポートすることを可能にするようＬＲＭ自体を変更することによりもむしろ、本発明は、レーザ変換機能を必要な範囲で付加する、レーザ変換モジュール（ＬＣＭ）と呼ばれる１つ以上の小さい電子ボックスにより、夫々のレーザリレー衛星を増強する。
【００１８】
制限されたＯ−Ｅ及びＥ−Ｏ変換回路／機能をＬＲＭに付加することは、ネットワーク動作が更に柔軟であり且つ更にロバストであることを可能にする。これは、信号対ノイズ比（ＳＲＮ；signal-to-noise  ratio）が、より完全な再生のためにデータを地上へ送ることなしでは所望のビットエラーレート（ＢＥＲ；bit  error  rate）を提供するには不十分であるネットワークを経由した、より長い経路をサポートすることに関して、特に当てはまる。変換回路はまた、ＬＲＭが様々なミッション、例えば、深宇宙探査機から地球へのデータを中継すること、において使用されることも可能にする。さもなければ、ノイズの蓄積がＢＥＲを悪化させる。
【００１９】
ＬＣＭはまた、ネットワークがネットワークにおける衛星からのデータダウンリンク及び衛星へのデータ配信をサポートすることも可能にする。Ｅ−Ｏ  ＬＣＭは、データ送信のためにＬＲＭへルーティングされたチャネルへ加えられる光信号を生成するために使用され得る。同様に、Ｏ−Ｅ  ＬＣＭは、光信号を、衛星上で処理され、後の使用のために記憶され、あるいは、ＲＦ通信ハードウェアを用いて送信され得る電気信号へ変換するために使用され得る。Ｏ−Ｅ  ＬＣＭをＥ−Ｏ  ＬＣＭと組み合わせ、それら２つの間に電気信号再生ハードウェアを備えることによって、再増幅（reamplification）、再成形（reshaping）、及びリフェージング（rephasing）を有する十分な３Ｒ再生を実施することが可能である。この３Ｒ再生は、チャネル内ノイズにおける蓄積をリセットしながら、元の高ＳＮＲ信号を再現する。前方誤り訂正（ＦＥＣ；Forward  Error  Correction）が再生の間に組み込まれる場合には、ビットエラーはプロセスの部分として補正され得る。そのような機能をＬＲＳに付加することは、受け入れられない電力需要及び質量を追加することなしに、その有用性を大いに広げることができる。
【００２０】
図１は、本発明のいくつかの実施形態に従って、複数の衛星１０２のＭＥＯコンステレーション１００の例を示す。図示されるように、８機の衛星１０２（８−ボール・コンステレーション）が配置されており、特に、赤道軌道の周りで、地球のバンドの連続的なカバレッジを提供するよう一緒にネットワーク化される。８機の衛星が一例として示されているが、本発明は８機の衛星に制限されず、異なる数の衛星、例えば、４機、１６機、又は他の機数の衛星が、衛星ごとの更なるカバレッジ時間及び／又は冗長性を目的として使用され得る。ＭＥＯコンステレーションの各衛星は、衛星間レーザコム（ＩＳＬ；inter-satellite  lasercom）光学望遠鏡を用いて、複数の最も近い隣接機（例えば、２つの隣接機のみが可視的である最低限の４−ボール・コンステレーション以外で、４つ以上）へ光学的に結合される。いくつかの実施形態において、円偏光（circular  polarization）又はスペクトルダイバーシティ（spectral  diversity）は、望遠鏡ごとに二重光信号経路を提供するために使用される。いくつかの実施形態において、円偏光は、送信信号を受信信号から分離するために使用される。
【００２１】
ＩＳＬ光学望遠鏡は、それらの仰角を調整することが可能であり、リング（コンステレーション）から衛星を増減すること（コンステレーションにおける衛星の数の変更）及び現在使用中である衛星をリフェージングすることに適応することを異なる角度の光通信に可能にする（適応させる）。
【００２２】
例えば、新しい衛星がコンステレーション内に打ち上げられる場合において、軌道を変更し、衛星間及び地上の光通信（望遠鏡）を再構成する１つ以上のコマンドが、例えば、地上サイトにおける地上望遠鏡から各衛星へ、送られる。
【００２３】
いくつかの実施形態において、各衛星は、アップ／ダウンリンク光学望遠鏡を用いて複数の地上サイトへ接続される。最小限のとり得る構成は、衛星ごとに１つのアップ／ダウンリンク望遠鏡である。しかし、複数の望遠鏡は、ネットワークの全体的な容量を増大させ、より大きい収入源を提供するだろう。ホスト衛星は、少なくとも４つのアップ／ダウンリンク望遠鏡を容易にサポートすることができる。なお、６又は８つの望遠鏡が、いくつかの実施形態では好ましいことがある。接続は、コンステレーションにおける先の衛星からの地上接続が終わりかけているときにはいつでも少なくとも１つのアップ／ダウンリンク望遠鏡が自由であるようにスケジュールされており、ネットワークが古い接続を中断する前に新しい接続を確立することを可能にする。
【００２４】
地上におけるサイトダイバーシティ（site  diversity）は、互いに比較的近くにある、例えば、関連する地上ゲートウェイの数百キロメートル内にある、複数（２つ以上）の端末（地上光学望遠鏡）を有して、気象障害を軽減するために使用される。それらの地上端末／望遠鏡のうちの２つは、地上サイトに対する光学的に接続されている衛星の夫々の通過（pass）について、その通過についての予測される良好な（cloud-free）ライン・オブ・サイトの可能性に基づき選択される。それらの２つの地上端末は、衛星上の別々のアップ／ダウンリンク望遠鏡によって追跡されてよいが、両方の端末を１つの望遠鏡によって同時にカバーするほど十分に大きい視界（field  of  view）を備えたデュアルトラッキングシステムを利用することも可能でありうる。いくつかの実施形態において、二重偏波（dual  polarization）は、空間的な分離が不十分であるときに２つの地上端末からの信号を区別することに対する１つのアプローチとして使用される。いくつかの実施形態において、異なるスペクトル帯域がビーコンのために使用され得る。
【００２５】
加えて、夫々の地上サイトは、少なくとも２つのアップ／ダウンリンク望遠鏡を有しうる。それにより、新しい接続は、衛星コンステレーションがその地上サイトを通過する場合に、古い接続が中断される前に確立され得る。このようにして、衛星コンステレーションは、単一のゲートウェイ／サイトをサポートする別々の地上端末をモニタし、それらの端末を実時間において切り替えながら、サイトダイバーシティを用いることによって、高い可用性を有している。通過の間、アップ／ダウンリンク望遠鏡は、光ビーコンを用いて、連続的に且つ実時間において、両方の現在の地上サイト／端末を追跡し、最もクリアなライン・オブ・サイトを有する一方の地上サイト／端末へデータを送る。互いに比較的近くにある複数（例えば、２つ以上）の地上端末は、有線又は無線の電気又は光通信スキームを介して共有ゲートウェイと直接通信する。ゲートウェイは、局所的な高速インターネットネットワークへの複数の接続を有するキャリアホテル（carrier  hotel）又は他の場所において位置してよい。
【００２６】
いくつかの実施形態において、地上端末の夫々は、衛星の１つ以上に光ビームを導く望遠鏡及びジンバル（gimbal）システムを含む。いくつかの実施形態において、地上に配備されたジンバル式レーザコム端末／望遠鏡は、個々の衛星を夫々の通過の間追跡する。いくつかの実施形態において、ネットワークオペレーションセンターは、衛星が地球を周回する場合に古い接続が中断される前に新しい接続を構成するために使用される余分のリンクを用いて、所望の地上サイト間の連続的なコネクティビティを維持するためにデータ経路を構成するよう１つ以上のスイッチングコマンドを打ち上げる。
【００２７】
図１の衛星コンステレーションはＭＥＯ軌道に関して記載されているが、ＧＥＯ及びＭＥＯ軌道衛星の組み合わせも可能であり、本発明の適用範囲内にある。いくつかの実施形態において、低地球軌道（ＬＥＯ；Low  Earth  Orbit）及びＭＥＯ軌道衛星の組み合わせも可能であり、本発明の適用範囲内にやはりある。１つ以上のＬＥＯ衛星を本発明のコンステレーションに加える方法も複数ある。
【００２８】
図２は、本発明のいくつかの実施形態に従って、クロスリンク望遠鏡及びアップ／ダウンリンク望遠鏡を含む衛星ペイロード２００の例となるレイアウト図である。図示されるように、複数の衛星間（クロスリンク）望遠鏡２０４ａないし２０４ｄ（この例となる図に示されている４つ）は、衛星間光通信のために各衛星の外側部分に設置されている。この例では、望遠鏡２０４ａ及び２０４ｂは、衛星の右側に位置し、その右側にあるその最も近い隣接した衛星のうちの１つ以上と通信する。例えば、２０４ａは、その側にある最も近い隣接した衛星（すなわち、隣接衛星）の方を向いて、その衛星と通信する。２０４ｂは、その側にある次に最も近い隣接した衛星（すなわち、離れた２つの衛星）の方を向いて、その衛星と通信する。同様に、望遠鏡２０４ｃ及び２０４ｄは、左側に位置し、その左側にあるその最も近い隣接した衛星の１つ以上と通信する。クロスリンク望遠鏡の夫々は、隣接した衛星との光通信を調整するために、及び／又は、新しい衛星がコンステレーションに加えられる場合には、新しい衛星との新しい光通信を確立するために、選択的に操縦されることが可能である。すなわち、衛星間光リンクは、冗長ネットワークにおいて夫々の衛星を接続する。
【００２９】
いくつかの実施形態において、クロスリンク望遠鏡２０４ａないし２０４ｄは、コンステレーションにおける隣接した衛星を追跡するよう、調整可能な仰角設定を含む。いくつかの実施形態において、２つの最も近い隣接機及び２つの次に最も近い隣接機は、衛星間通信のために利用される。ビームステアリングミラーは、ホスト衛星のジッタ及びわずかの軌道差を補償するために使用される。仰角調整は、コンステレーション及び通信リングに対して衛星を追加及び削除するために稀に使用される。
【００３０】
加えて、地上通信及びサイトダイバーシティのために各衛星の外側部分に設置されている複数の（ジンバル式）アップ／ダウンリンク望遠鏡２０６ａないし２０６ｇが存在する。いくつかの実施形態において、夫々のアップ／ダウンリンク望遠鏡は、世界中の地上サイト間の少なくとも単一の高帯域（例えば、１００Ｇｂｐｓ）双方向接続をサポートする。同じ衛星又は接続されている衛星のいずれか一方にある他のアップ／ダウンリンク望遠鏡は、接続の相手方のために使用される。８機の衛星及び衛星ごとに６つのアップ／ダウンリンク望遠鏡によれば、ネットワークは、高帯域双方向接続を最大２４個までサポートすることができる。
【００３１】
夫々の衛星の光学的なオンボードハードウェア（ペイロード）は、光クロスコネクトスイッチマトリクス２０８及び“コマンド、コントロール、及びテレメトリ”（ＣＣ＆Ｔ；command,  control,  and  telemetry）サブシステム２１４を含む。夫々の衛星の電気的なオンボードハードウェア（ペイロード）は、光スイッチマトリクス２０８からの選択された光信号を電気信号に変換する１つ以上のＯ−Ｅ  ＬＣＭ２１２と、電気信号再生システム２１０と、電気信号を、光スイッチマトリクス２０８へ入力される光信号に戻す１つ以上のＥ−Ｏ  ＬＣＭ２１６とを含む。Ｅ−Ｏ  ＬＣＭへの直接的な電気入力及びＯ−Ｅ  ＬＣＭからの直接的な電気出力も存在してよい。それらの電気入力及び出力は、データ記憶部２１４に出し入れされてよい。オンボードペイロードは、コンピュータ又は１つ以上のプロセッサ及び関連するサポートコンポーネント２１８と、１つ以上の電源（図示せず、）とを更に含む。
【００３２】
ＬＲＭが光スイッチマトリクス２０８を通じて接続される方法を考えると、その同じアプローチを、ＬＣＭを接続するために使用することは、実質的な柔軟性を提供する。本発明のＬＣＭは、光信号を電気信号に変換するために使用され得る。変換された電気信号は、次いで、ＲＦアンテナへ送信され得る。あるいは、本発明のＬＣＭは、電気信号を光信号に変換するために使用され得る。変換された光信号は、レーザコムネットワークに入れられ得る。ＬＣＭはまた、非常に弱い光信号を電気信号に変換し、それに３Ｒ再生（再増幅、再成形、及びリフェージング）を適用し、次いで、それを光信号に戻すためにも使用され得る。ＦＥＣ回路も適用されてよく、この段階で誤り訂正を実施する。これは、データレートが低い深宇宙リレー用途に有用である。
【００３３】
複数の衛星の夫々は、光信号を電気信号に変換することなしに入来及び発射光信号を光学的に処理及びスイッチングするための光学回路／ハードウェアを含む。光学的なオンボードハードウェアは、地上及び／又は１つ以上の隣接衛星から入来する光データストリームを受信し、それを光学的に再生し（再増幅に制限されてよく、あるいは、完全な３Ｒ再生であってよい。）、光スイッチを用いてそれを所望の出力経路へ方向付け、それをその最終のあて先（地上及び／又は１つ以上の隣接衛星）に向けて送信する。
【００３４】
同様に、電気的なオンボードハードウェアは、地上及び／又は１つ以上の隣接衛星から入来する電気信号を受信し、それを電気的に再生及び／又は処理し、次いで、処理された電気信号を、その最終のあて先に向けた送信のために、光スイッチへ入力される光信号に変換する。いくつかの実施形態において、入来信号は光信号であってよく、光信号は、より複雑な再生処理のために（又は処理のためにコンピュータ２１８へ入力されるように）、光−電気変換回路によって電気信号に変換される。スイッチから出力された光信号は、光−電気変換回路を用いて、電気信号に変換されてよい。同様に、例えば、コンピュータ２１８、データ記憶部２１４、地上、他の衛星又はオンボードのセンサ、から発せられた如何なる電気信号も、光スイッチマトリクス２０８によってルーティングされ、そして、望遠鏡によってその次のあて先へ送信されるよう、光信号に変換されてよい。
【００３５】
図３は、本発明のいくつかの実施形態に従って、例となるオンボードのハードウェアシステム３００のための略ブロック図である。この図は簡略化されており、光スイッチ３０８からの２つの光学的なあて先（出力）しか表さない。図示されるように、入来する光信号は、光ビーム拡大器３１４によって受信され、光前置増幅器３１２によって前置増幅される。前置増幅された光信号は、次いで、マルチプレクサ３０２によって結合されてよい。個々のチャネルについての結合された信号は、次いで、光メイン増幅器３０４によって増幅され、デマルチプレクサ３０６によってデマルチプレキシングされ、次いで、光（クロスバー）スイッチ３０８へ供給される。光スイッチ３０８は、次いで、スイッチング命令に応じて、その出力部の１つ（以上）で光信号３０９を出力する。光信号３０９は、次いで、最終の電力増幅器３１０によって増幅された後に、ビーム拡大器３１４によって、選択されたあて先へ送信される。いくつかの実施形態において、マルチプレクサ及びデマルチプレクサは、別個のメイン増幅器が前置増幅器ごとに使用されることで、削除されてよい。
【００３６】
同様に、電気入力信号３１５、例えば、ＲＦ信号は、例えば、何らかのオンボードの電気デバイス又はセンサ３１８から、アンテナ３２０を介して（ＲＦ）トランシーバ３１６によって受信される。電気信号３１５は、次いで、電気−光（Ｅ−Ｏ）変換回路３１７によって光信号に変換され、結果として現れる光信号は光スイッチ３０８へ入力される。光スイッチ３０８は、その出力部の夫々１つ以上で１つ以上の光−電気（Ｏ−Ｅ）変換回路３２２を含む。光スイッチ３０８の光入力のいずれかが電気信号に変換される必要がある場合には、スイッチング命令は、光スイッチ３０８に、その入力部を、光−電気変換回路３２２を備えている出力部の１つへ切り替えるように指示する。電気出力３１３は、次いで、トランシーバ３１６へ供給されて、アンテナ３２０を介してオフボードで電気的に送信され得る。それに代えて、又はそれに加えて、電気出力３１３は、プロセッサ又はメモリを含む何らかのオンボードの電気デバイスへ供給されてよい。
【００３７】
光（クロスバー）スイッチは、異なるスイッチングアプローチを実施することが可能であり、全ての地上サイト間の完全にトランスペアレントなポイント間接続又はより柔軟なメッシュ接続を可能にする。夫々の入力は、他の入力を遮ることなしに、いずれかの出力へ接続され得る。いくつかの実施形態において、光スイッチは、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ；Microelectro-mechanical  system）技術を使用し、複数の小さいミラーが、その入力から所望の出力へ夫々の光信号を反射するよう、命じられたように傾く。
【００３８】
図４は、本発明のいくつかの実施形態に従って、その入力部及び出力部で複数のレーザ変換モジュール（ＬＣＭ）を含む光クロスコネクトスイッチの例の略ブロック図である。図示されるように、Ｎ×Ｎ光クロスコネクトスイッチ４０１は、その入力のいずれかをその出力のいずれか１つ以上へルーティングすることができる。光入力は、他の衛星のＬＲＭ、同じ衛星の他のＬＲＭ、又はいずれかのオンボードの光デバイスから受信されてよい。同様に、光出力は、他の衛星のＬＲＭ、同じ衛星の他のＬＲＭ、又はいずれかのオンボードの光デバイスへ送信されてよい。加えて、光スイッチ４０１の夫々の１つ以上の入力チャネルには１つ以上のＥ−Ｏ変換回路（ＬＣＭ）４０２が存在する。Ｅ−Ｏ変換回路４０２は、例えば、オンボードのデジタル記憶部（ＤＳＵ；digital  storage  unit）４０５やオンボードの（ＲＦ）受信器（トランシーバ）４０６から、オンボードのコンピュータ４０９及び／又はオンボードのセンサ４０７から直接に、電気信号をとる。オンボードの（ＲＦ）受信器４０６、オンボードのコンピュータ４０９及び／又はオンボードのセンサ４０７は、電気信号がＥ−Ｏ変換回路４０２に出力される前に、最初に、それらの電気信号を、記憶のためにＤＳＵ４０５に出力してよい。
【００３９】
同じく、光スイッチ４０１の夫々の１つ以上の出力部には１つ以上のＯ−Ｅ変換回路（ＬＣＭ）４０３が存在する。１つ以上のＯ−Ｅ変換回路４０３は、光スイッチの夫々の光出力をとり、それらを電気信号に変換して、オンボードの（ＲＦ）送信器（トランシーバ）４０８によって送信され、オンボードＤＳＵ４０５によって記憶され、オンボードのコンピュータ４０９によって処理され、及び／又いずれかの他のオンボードの電気デバイスへ送られるようにする。送信器（トランシーバ）４０８は、次いで、電気信号を他のＬＲＭ又は地上局へ送信することができる。
【００４０】
加えて、Ｏ−Ｅ変換回路４１３は、光スイッチからの光信号を電気信号に変換して、電気再生回路４０４によって（電気的に）再生されるようにする。再生された電気信号は、次いで、Ｅ−Ｏ変換回路４１２によって光信号に変換され、その次のあて先へ方向付けられるようにスイッチへ再度入力される。要素は、図４で図示されるように、単一ユニットとしてまとめられてよく、あるいは、再生回路４０４は、いずれかのＯ−Ｅ変換回路４０３が電気入力信号を再生回路へ供給すること及びいずれかのＥ−Ｏ変換回路４０２が電気出力信号を光形式に戻すことを可能にする２つの電気スイッチへ接続され得る。
【００４１】
いくつかの実施形態において、異なるＥ−Ｏ  ＬＣＭは、異なる変調スキームをサポートすることができ、異なるＯ−Ｅ  ＬＣＭは、それらと同じか又は他の光学変調スキームをサポートすることができる。このようにして、Ｏ−Ｅ及びＥ−Ｏ変換（Ｏ−Ｅ−Ｏ）を結合するＬＣＭは、電気信号の電気的な再成形及びリフェージングを含むことをオプションとして、１つの光学変調スキームから他への変換をサポートすることができる。加えて、Ｏ−Ｅ−Ｏ  ＬＣＭは、Ｏ−Ｅ  ＬＣＭにおける広域スペクトル範囲及びＥ−Ｏ  ＬＣＭにおける調節可能なレーザ光源に反応することができる検出器を用いて、光信号の波長を変換することができる。
【００４２】
上述されたように、３種類のＬＣＭが本発明では利用されてよい。Ｅ−Ｏ  ＬＣＭは、所与のデータレートで入力電気ビットストリームを使用すること、及びその信号を使用して、調整可能なレーザ主発振器（master  oscillator）を変調することが可能である。変調は、低雑音前置増幅が光信号を増幅して、光クロスコネクトスイッチに向かう他の光信号の電力レベルと適合させる前に、起こる。出力光信号は、次いで、光ファイバに投入され、光クロスコネクトスイッチ上の入力ポートへ接続される。光信号は、次いで、適切な出力ポートへ接続され、所望のＬＲＭへ送られる。そこで、電力増幅器は、ネットワーク内の他のノードに届くために必要な最終の増幅を供給し、それをその他のノードへ送信する。このようにして、Ｅ−Ｏ  ＬＣＭは、ＬＲＭとともに、送信（Ｔｘ）レーザ宇宙端末の機能を提供する。
【００４３】
いくつかの実施形態において、Ｏ−Ｅ  ＬＣＭは、光クロスコネクトスイッチの出力ポートから光信号をとり、それを電気ビットストリームに変換することが可能である。Ｏ−Ｅ  ＬＣＭは低雑音検出器を含み、デジタル化の前にアナログ電気出力を浄化（すなわち、再成形及びリフェージング）するよう電気フィルタリングを含んでよい。Ｏ−Ｅ  ＬＣＭは、ＬＲＭとともに、受信（Ｒｘ）レーザ宇宙端末の機能を提供する。それらの実施形態では、ＬＣＭは、地上又は宇宙のいずれか一方にあるネットワーク内のいずれかの他のノードが高帯域データ信号をホスト衛星へ送信することを可能にすることができる。
【００４４】
Ｏ−Ｅ−Ｏ  ＬＣＭは、信号を再成形及びリフェージングするよう、最初の２つのＬＣＭの機能をいくつかの更なる任意エレクトロニスと（必要に応じて）結合する。ＯＸＣは、いずれかのＤＷＤＭ光信号からの１つ以上の特定のチャネルの抽出、及び同じ又は新しい波長での１つ以上のチャネル挿入を可能にする。Ｅ−Ｏ及びＯ−Ｅの両方のＬＣＭの組み合わせは、ＬＲＭとともに、送信及び受信レーザ宇宙端末の機能を提供する、Ｏ−Ｅ−Ｏ  ＬＣＭは、少なくとも２つのＬＲＭとともに、深宇宙ミッションに関連したより低い信号対ノイズ（ＳＮＲ）体制へＬＲＭの機能を拡張及び強化する。通常の、光学的にトランスペアレントなリレー動作モードでは、一連のノードにおけるノイズの蓄積は、電力増幅器からの信号レベルを増大させることによって適応されるが、宇宙環境に適した放射線硬質光パワー増幅器からの達成可能な電力レベルには制限がある。電気領域において所与のチャネルについて完全な３−Ｒ再生を実施することによって、アナログ電気信号を浄化し、ノイズレベルを低減することが可能である。信号をデジタル領域に変換することは、ホスト衛星に搭載されたＦＥＣの使用を可能にし、全ての補正可能なビットエラーを完全に削除して、元の信号を再現する。
【００４５】
いくつかの実施形態において、それらのＬＣＭは、適切な変換のために必要とされるハードウェアのみを含み、よって、残りのレーザ宇宙端末ハードウェアは、標準のレーザリレーモジュールに含まれる。ＬＣＭは、非常に簡単な構成のためにファイバを介してＬＲＭへ直接に、あるいは、ＬＲＳ上で光クロスコネクトスイッチ４０１を経由して間接的に、接続される。
【００４６】
図５は、本発明のいくつかの実施形態に従って、再生機能を含むＯ−Ｅ−Ｏレーザ変換モジュール（ＬＣＭ）の例についての略ブロック図である。図示されるように、光信号は、光クロスコネクトスイッチの出力ポート５０１から受信され、次いで、光増幅器５０２によって増幅される。信号は、関連する技術が宇宙環境に適するようになる場合に、次いで、任意の非線形光再生システム５０３によって更に再生されてよい。光スプリッタ又はスイッチ５０４は、次いで、光信号を、Ｏ−Ｅ検出器５０５へ、若しくは光結合器５１０へ、又はその両方へ送信する。Ｏ−Ｅ検出器５０５の出力はアナログ電気信号であり、電気増幅器５０６によって増幅されてよい。この時点で、高速アナログ電気信号は、再成形及びリフェージングのような更なる再生を受けてよく、あるいは、それは、アナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）コンバータによってデジタル化され、ＤＳＵ（データ記憶部）へ転送されてよい。ＤＳＵは、入力データストリームに含まれる全ての補正可能なビットエラーを回復させるようＦＥＣ回路を組み込んでよい。ＦＥＣはまた、ＤＵＳへの放射線衝突によって生成されたビットエラーを補正するために出力データストリームに対しても使用されてよい。生成されたデータストリームは、高速デジタル−アナログ（Ｄ／Ａ）コンバータへ転送される。結果として現れる高速アナログ電気信号は、次いでＥ−Ｏユニットへ送られる。Ｅ−Ｏユニットは、連続波レーザ光源及び変調器を含む。出力された光信号は、ＯＸＣの入力ポート５１１へ送られる前に、光結合器５１０へ送信される。
【００４７】
様々な変更は、その広範な発明適用範囲から逸脱することなしに、上記の発明の説明されている及び他の実施形態に対してなされてよいことが当業者によって認識されるだろう。従って、本発明は、開示されている特定の実施形態又は配置に制限されず、添付の特許請求の範囲によって定義されている本発明の適用範囲及び主旨の中にある如何なる変更、適応又は修正もカバーするようむしろ意図されることが理解されるだろう。
【図１】
2017531368.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成29年2月23日(2017.2.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
自由空間の光通信のための電気光学ペイロードであって、
複数の入来する光信号の中の光信号を夫々が受信する複数の光ビーム拡大器と、
前記複数の光ビーム拡大器へ結合され、前記複数の入来する光信号の夫々を光出力信号へと夫々方向付ける光クロスコネクトスイッチと、
前記光クロスコネクトスイッチの第１の入力部へ結合され、電気信号を、前記光クロスコネクトスイッチへ入力するために光信号へ変換する第１の電気−光変換回路と、
前記光クロスコネクトスイッチの第１の出力部へ結合され、前記光クロスコネクトスイッチから出力された光信号を電気信号へ変換する第１の光−電気変換回路と、
前記光クロスコネクトスイッチの第２の出力部へ結合される第２の光−電気変換回路と、
前記第２の光−電気変換回路へ結合され、前記第２の光−電気変換回路から出力された電気信号に対して再生を実施し、該再生された電気信号を出力する電気再生回路と、
前記電気再生回路へ結合され、前記再生された電気信号を、前記光クロスコネクトスイッチへ入力される光信号へ変換する第２の電気−光変換回路と
を有し、
前記光クロスコネクトスイッチから出力された光信号の一部は、発射光信号として１つ以上のあて先へ送信するために前記複数の光ビーム拡大器の夫々１つへ入力され、
当該電気光学ペイロードは、
単一の光メイン増幅器と、
前記入来する光信号を結合し、該結合された光信号を、該結合された光信号を増幅するために前記単一の光メイン増幅器へ出力する光マルチプレクサと、
前記増幅された結合された光信号を、前記光クロスコネクトスイッチへ出力するためにデマルチプレキシングするデマルチプレクサと
を更に有する、
電気光学ペイロード。
【請求項２】
前記光クロスコネクトスイッチ及び夫々の光ビーム拡大器へ光学的に結合され、前記発射光信号を増幅する複数の光パワー増幅器
を更に有する請求項１に記載の電気光学ペイロード。
【請求項３】
４つの光ビーム拡大器が、両側に１つずつある２つの最も近い隣接衛星、及び両側に１つずつある２つの次に最も近い衛星との光通信のために使用される、
請求項１に記載の電気光学ペイロード。
【請求項４】
地上サイトとの光通信に関連した前記複数の光ビーム拡大器の夫々は、高密度波長ダイバーシティ多重化（ＤＷＤＭ）を利用して各地上サイトとの双方向リンクを提供するよう構成される、
請求項１に記載の電気光学ペイロード。
【請求項５】
前記地上サイトとの光通信に関連した前記複数の光ビーム拡大器の夫々は、偏光及び波長ダイバーシティのうちの１つ以上を利用して双方向リンクにおいて２つのデータストリームを分離するよう更に構成される、
請求項４に記載の電気光学ペイロード。
【請求項６】
前記光クロスコネクトスイッチは、地上オペレーションセンターから１つ以上のスイッチングコマンドを受信して光データ経路を構成し且つ所望の地上サイト間の連続的なコネクティビティを維持するよう構成される、
請求項１に記載の電気光学ペイロード。
【請求項７】
前記光信号の１つ以上を増幅するよう構成される１つ以上のレーザ
を更に有する請求項１に記載の電気光学ペイロード。
【請求項８】
オンボードの記憶部を更に有し、
前記光−電気変換回路からの電気信号は、前記オンボードの記憶部へ入力される、
請求項１に記載の電気光学ペイロード。
【請求項９】
オンボードの送信器を更に有し、
前記光−電気変換回路からの電気信号は、オフボードのあて先への送信のために前記送信器へ入力される、
請求項１に記載の電気光学ペイロード。
【請求項１０】
オンボードの受信器及び、アンテナを更に有し、
前記電気−光変換回路へ入力される電気信号は、前記アンテナを介して前記受信器から受信される、
請求項１に記載の電気光学ペイロード。
【請求項１１】
オンボードの記憶部を更に有し、
前記電気−光変換回路へ入力される電気信号は、前記オンボードの記憶部から受信される、
請求項１に記載の電気光学ペイロード。
【請求項１２】
オンボードのセンサを更に有し
前記電気−光変換回路へ入力される電気信号は、前記オンボードのセンサから受信される、
請求項１に記載の電気光学ペイロード。
【請求項１３】
オンボードのコンピュータを更に有し、
前記電気−光変換回路へ入力される電気信号は、前記オンボードのコンピュータから受信される、
請求項１に記載の電気光学ペイロード。
【請求項１４】
自由空間の光通信のための衛星であって、
１つ以上の地上サイトとの光通信のための複数のアップ／ダウンリンク光学望遠鏡と、
衛星間の光通信のための複数の衛星間望遠鏡と、
請求項１乃至１３のうちいずれか一項に記載の電気光学ペイロードと
を有する
衛星。
【国際調査報告】
2017531368.tif 000008
2017531368.tif 000009
2017531368.tif 000010