Receiver Design for High-Speed Optical Inter-Satellite Communication

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1 Receiver Design for High-Speed Optical Inter-Satellite Communication Semjon Schaefer 1, Mark Gregory 2, Werner Rosenkranz 1 Workshop der ITG-Fachgruppe Berlin Christian-Albrechts-Universität zu Kiel 2 TESAT-Spacecom, Backnang

2 Content 1. Introduction: Optical Inter-Satellite Links (OISL) 2. Optical Costas Loop Based Homodyne Detection 3. Digital Signal Processing Based Intradyne Detection 4. Comparison of Homodyne and Intradyne Detection 5. Conclusions -2-

3 Optical Inter-Satellite Link (OISL) Current RF Scenario: OISL Scenario: LEO: Low-Earth Orbit GEO: Geostationary Orbit LEO GS: Low data rate Short time window LEO GEO GS: High data rate (LEO GEO) Long time window (GEO GS)

4 Optical Coherent Detection Optical coherent detection in optical inter-satellite links (OISL) Signal detection by beating with local oscillator/laser (LO) at the receiver Frequency offset (FO) between incoming signal and LO laser (e.g. Doppler shift) Detection schemes Receiver designs: Homodyne Receiver: Optical phase-locked loop Intradyne Receiver: Digital signal processing Frequency offset and phase noise compensation in OISL systems -4-

5 Content 1. Introduction: Optical Inter-Satellite Links (OISL) 2. Optical Costas Loop Based Homodyne Detection 3. Digital Signal Processing Based Intradyne Detection 4. Comparison of Homodyne and Intradyne Detection 5. Conclusions -5-

6 OISL Transmission System Laser Communication Terminal (LCT) Setup used in EDRS: PM 1064 nm YDFA Free- space Channel Tx/Rx Antenna Coherent Receiver I Q Data & Clock Recovery Data Diff. Encoding Pulse Shaper Solid-state laser at 1064 nm Tx-power of up to 5 W BPSK transmission of up to 2.8 Gb/s Free-space channel impairments Free-space loss, Doppler frequency shift, light polarization due to movement Noise sources shot noise, thermal noise, phase noise Coherent homodyne detection Carrier recovery based on OPLL techniques Transmitter -6- Fast Tuneable LO(VCO) OPLL Electronic OPLL PM: Phase modulator YDFA: Ytterbium-doped fiber amplifier OPLL: Optical phase-locked loop LO: Local oscillator EDRS: European Data Relay System Optical Electrical Digital Receiver

7 Optical Phase-Locked Loop Optical phase-locked loop for BPSK transmission based on Costas loop () t 1 Data & clock Recovery Coherent Receiver AGC: Automatic gain control TIA: Transimpedance amplifier LO: Local oscillator () t 2 Demodulated data signal after coherent detection: U ( t) ~ cos ( t) ( t) ( t) I 1 2 U ( t) ~ sin ( t) ( t) ( t) Q BPSK modulation: 1 2 M M ( t ) 0, M -7- BPSK phase discriminator: ( t) U ( t) U ( t) I Q ~ sin 2 ( t) ( t) 1 2 Phase error (S-curve)

8 Optical Phase-Locked Loop Optical phase-locked loop for BPSK transmission based on Costas loop () t 1 Data & clock Recovery Coherent Receiver AGC: Automatic gain control TIA: Transimpedance amplifier LO: Local oscillator () t 2 Hybrid coupling coefficients: E t s t s t e j4 /2 1 k1 1( ) k5 2( ) j2 /2 2 k2 1( ) k6 2( ) E t s t s t e E t s t s t e E j1 /2 3 k3 1( ) k7 2( ) j3 /2 4 t k4s1 ( t) k8s2( t) e I Q -8- Adjustable power splitting For BPSK: More power in I-branch

9 Noise Sources in OISL Shot noise (SN) Results from transformation of optical power into photo current Dominates the ASE noise from optical Tx-amplifier due to low received power White Gaussian noise with spectral power density N SN Thermal noise (TN) Due to thermal agitation of the charge carriers in the photodiode Additive white Gaussian noise with spectral power density N TN Phase noise (PN) Due to laser linewidth (Tx and LO laser) -9-

10 Noise Influence (Simulation) Noise sources: N N N TN SN SN N N SN TN 2 A Hz 2 A Hz 21 1, 43dB PN: 10kHz 3dB Simple coupler vs. 90 Hybrid Shot noise limit (theory): ~ 1.5dB hf 1 2PRxTb BER erfc 2 Here: T b 1 1 f 1Gb/s b m f s 1064 nm -10-

11 Content 1. Introduction: Optical Inter-Satellite Links (OISL) 2. Optical Costas Loop Based Homodyne Detection 3. Digital Signal Processing Based Intradyne Detection 4. Comparison of Homodyne and Intradyne Detection 5. Conclusions -11-

12 Intradyne Detection with DSP BPSK example Free-running LO for intradyne detection DSP based frequency offset and phase noise compensation ADC: Analog-digital-converter FO: Frequency offset PN: Phase noise LO: Local oscillator -12-

13 DSP Algorithms FO-Compensation: PN-Compensation: Simple adaption to other M-PSK formats -13-

14 Content 1. Introduction: Optical Inter-Satellite Links (OISL) 2. Optical Costas Loop Based Homodyne Detection 3. Digital Signal Processing Based Intradyne Detection 4. Comparison of Homodyne and Intradyne Detection 5. Conclusions -14-

15 Numerical Comparison Simulation setup: Tx power 32 dbm Symbol rate 1 GS/s Elect. filter 3dB cut-off (Rx) 900 MHz OPLL bandwidth 36 MHz PNC filter length 30 FOC filter length L 50 Residual FO (intradyne) f 100 MHz LO power Linewidth (Tx/Rx) Shot noise PSD Thermal noise PSD P Tx f s B Rx B L N FO PLO N SN N TN 12 dbm 10 khz 9.1e -22 A 2 /Hz 3.2e -21 A 2 /Hz [dbm] Both detection schemes show the same performance 3dB penalty from BPSK to QPSK (due to doubled data rate) -15-

16 Experimental Investigation Setup: Tx power 16 dbm Symbol rate fs 1 GS/s DAC/ADC resolution - 10 Bit Rx 3dB filter bandwidth B Rx 1 GHz PNC filter length N 32 FOC filter length L 1024 LO power PLO 11 dbm Linewidth (Tx/Rx) 2 khz P Tx -16-

17 Conclusions OPLL based carrier recovery for homodyne BPSK detection Hardware complexity increases with modulation order Intradyne detection with digital frequency offset compensation as alternative Intradyne and homodyne detection show nearly the same performance Thank you! -17-

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