Stacked Modulation Formats Enabling Highest-Sensitivity Optical Free-Space Communications

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit hochempfindlichen optischen Kommunikationssystemen, wie sie z.B. bei Intersatellitenlinks verwendet werden. Theoretische Überlegungen zur Steigerung der Empfängerempfindlichkeit werden mit Simulations- und Messergebnissen ergänzt und verifiziert.
Auf Grund der steigenden Nachfrage nach optischen Links zwischen Satelliten stellt sich die Frage, was sind geeignete Eckparameter, um ein solches System zu beschreiben. Die gigantischen Datenmengen, die von diversen Messgeräten, wie z.B. hochauflösende Kameras auf einem Satelliten generiert werden, bringen die Kapazitäten klassischer HF-Datenlinks an ihre Grenzen. ... mehrHier können optische Kommunikationssysteme auf Grund ihrer hohen Trägerfrequenz im Infrarotbereich sehr hohe Datenraten im Terabit/s Bereich ermöglichen. Systeme mit Radiowellen im GHz Bereich als Trägerfrequenz sind hier deutlich limitierter. [7]
Linkdistanz, verfügbare Leistung, Pointinggenauigkeit und verfügbare Antennengröße sind einige Parameter, die einen wichtigen Einfluss auf die Leistungsfähigkeit des Systems haben. Je größer die Distanz und desto kleiner die verfügbare Antennengröße sowohl am Sender als auch am Empfänger sind, desto weniger Signalleistung wird den Detektor erreichen. Nimmt man dann noch ungenaues Pointing hinzu, d.h. Sender und Empfänger sind nicht exakt aufeinander ausgerichtet, treten zusätzliche Verluste auf. [7]
Ziel dieser Arbeit ist es, ein vereinfachtes System zu implementieren und zu testen, das mit möglichst wenigen Photonen pro Bit bei einer gegebenen Bitfehlerwahrscheinlichkeit bei einer möglichst hohen Datenrate arbeiten kann. Hierfür werden alle Freiheitsgrade einer optischen Welle zur Modulation verwendet, um mit sog. „Stapeln“ von Modulationsformaten eine Empfindlichkeitssteigerung zu erreichen. Die Amplitude des Signals wird durch Pulspositionsmodulation (PPM) moduliert, wobei das zeitlich variable Vorhandensein eines Pulses innerhalb des Symbols die Information enthält. Dieses Modulationsformat weist bis dato die höchste Empfindlichkeit in Literatur und Experimenten auf [4]. Je mehr Möglichkeiten es gibt, einen Puls in einem Symbol zu platzieren, desto höher ist die zu erwartende Empfindlichkeit des Systems. Mit anderen Worten: Steigert man die zeitliche Dauer eines PPM-Symbols, so wächst ebenfalls die Empfängerempfindlichkeit. Da bei diesem Ansatz die Datenrate sinkt, wird in dieser Arbeit eine andere Methode vorgestellt, die Empfindlichkeit eines Übertragungssystems zu steigern, ohne die Symbollänge unnötig in die Länge zu ziehen.
Diese Arbeit befasst sich mit dem Stapeln (sog. „Stacking“) von Modulationsformaten, in dem neben der Amplitudenmodulation weitere Freiheitsgrade, wie die Frequenz, Phase und Polarisation geschickt genutzt werden. Bei der Frequenzumtastung (FSK) wird die optische Frequenz je nach Symbol um ein gewisses Maß verschoben. Bei der polarisations-geschalteten Quadratur-Phasenumtastung (PS-QPSK) werden sowohl die Phase, als auch die Polarisation der optischen Welle moduliert [12]. Als Endergebnis erhält man PPM-FSK-PS-QPSK als Modulationsformat mit hoher Empfindlichkeit. Gegenüber dem reinen PPM wird eine theoretische Empfindlichkeitssteigerung von mehr als 1 dB erreicht. Sowohl Simulations- als auch Messergebnisse bestätigen den Empfindlichkeitsgewinn.

The present work discusses highly sensitive optical communication systems as they are used for example in inter-satellite links. Theoretical analysis about receiver sensitivity improvements are complemented and verified with simulation and measurement results.
There is an ever increasing demand for bandwidth and accordingly an increased demand for satellite links. The gigantic amount of data that is generated by measurement devices such as high-resolution cameras brings classical RF data links to their limits. Here, optical communication systems can enable very high data rates in the Terabit/s thanks to a high carrier frequency in the infra-red range. ... mehrSystems using radio frequency in the GHz regime are much more limited. A key question then is what parameters will be needed to describe satellite links well. [7]
Link distance, available power, pointing accuracy and available antenna sizes are a few parameters that have an important influence onto the performance of the system. The larger the distance and the smaller the available antenna diameter at transmitter side as well as receiver side, the lesser signal power reaches the detector. Adding in addition inaccurate pointing, i.e. a system where transmitter and receiver are not aligned correctly, will lead to additional losses. [7]
It is the goal of this work to implement and test a simplified system that works with as few photons per bit at a given bit error ratio with the highest possible data rate. In this thesis we pursue an approach where all degrees of freedom of an optical wave are used for modulation to achieve an increase in the highest spectral sensitivity by “stacking” modulation formats. A key aspect of this approach is the modulation of the amplitude of the signal by pulse-position modulation (PPM), where the time variable presence of a pulse within the symbol contains the information. This modulation format has shown the highest sensitivity in literature and experiments, so far [4]. The more possibilities exist to position a pulse within a symbol, the higher the system sensitivity is to be expected. In other words: Increasing the duration of a PPM symbol leads to an increase of the receiver sensitivity. However, since this leads to very low data rates a different method is presented in this work to improve the sensitivity of a transmission system without lengthening the symbol unnecessarily.
This work addresses stacking modulation formats by using besides amplitude modulation additional degrees of freedom, like frequency, phase and polarization in a clever way. With frequency-shift keying (FSK), the optical frequency is shifted depending on the symbol by a certain amount . For polarization-switched quadrature-phase-shift keying (PS-QPSK) the phase as well as the polarization of an optical wave are modulated [12]. As a result, one gets PPM-FSK-PS-QPSK as a modulation format with high receiver sensitivity. Compared to pure PPM a theoretical sensitivity improvement of more than 1 dB is achieved. Simulation results as well as measurement results prove this gain of sensitivity.