Abstract

Performance of an Earth-to-deep-space optical telecommunications system is degraded by distortion of the beam as it propagates through the turbulent atmosphere. Conventional approaches to correcting distortions, based on natural or artificial guide stars, have practical difficulties or are not adequate for correction of distortions, which are important for Earth-to-deep-space optical links. A beam-relay approach that overcomes these difficulties is discussed. A downward-directed laser near an orbiting relay mirror provides a reference for atmospheric correction. Adaptive optics at the ground station compensate the uplink beam so that after it passes through the atmosphere uplink propagation effects are removed. The orbiting mirror then directs the corrected beam to the distant spacecraft.

© 1998 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. R. Q. Fugate, D. L. Fried, G. A. Ameer, B. R. Boeke, S. L. Browne, P. H. Roberts, R. E. Ruane, G. A. Tyler, and L. M. Wopat, Nature (London) 353, 144 (1991).
    [CrossRef]
  2. R. Braham, IEEE Spectrum 34, 26 (1997); also see the other articles in that issue.
    [CrossRef]
  3. C. E. Max, S. S. Olivier, H. W. Friedman, J. An, K. Avicola, B. V. Beeman, H. D. Bissinger, J. M. Brase, G. V. Erbert, D. T. Gavel, K. Kanz, M. C. Liu, B. Macintosh, K. P. Neeb, J. Patience, and K. E. Waltjen, Science 277, 1649 (1997).
    [CrossRef]
  4. I. Ishimaru, Wave Propagation and Scattering in Random Media (Academic, New York, 1978).
  5. B. J. Rickett, Annu. Rev. Astron. Astrophys. 28, 561 (1990).
    [CrossRef]
  6. S. S. Olivier and D. T. Gavel, J. Opt. Soc. Am. A 11, 368 (1994).
    [CrossRef]
  7. G. Tyler, J. Opt. Soc. Am. A 11, 358 (1994).
    [CrossRef]
  8. R. Foy, A. Migus, F. Biraben, G. Grynberg, P. R. McCullough, and M. Tallon, Astron. Astrophys. Suppl. 111, 569 (1995).
  9. R. Ragazzoni, Astron. Astrophys. 305, L13 (1996).
  10. M. C. Roggermann, B. M. Welsh, and R. Q. Fugate, Rev. Modern Phys. 69, 437 (1997).
    [CrossRef]
  11. A. H. Greenaway, Proc. SPIE 1494, 386 (1991).
    [CrossRef]
  12. Committee on Advanced Space Technology (D. Hastings, chair), National Research Council, Space Technology for the New Century (National Academy Press, Washington, D.C., 1998).

1997

R. Braham, IEEE Spectrum 34, 26 (1997); also see the other articles in that issue.
[CrossRef]

C. E. Max, S. S. Olivier, H. W. Friedman, J. An, K. Avicola, B. V. Beeman, H. D. Bissinger, J. M. Brase, G. V. Erbert, D. T. Gavel, K. Kanz, M. C. Liu, B. Macintosh, K. P. Neeb, J. Patience, and K. E. Waltjen, Science 277, 1649 (1997).
[CrossRef]

M. C. Roggermann, B. M. Welsh, and R. Q. Fugate, Rev. Modern Phys. 69, 437 (1997).
[CrossRef]

1996

R. Ragazzoni, Astron. Astrophys. 305, L13 (1996).

1995

R. Foy, A. Migus, F. Biraben, G. Grynberg, P. R. McCullough, and M. Tallon, Astron. Astrophys. Suppl. 111, 569 (1995).

1994

1991

R. Q. Fugate, D. L. Fried, G. A. Ameer, B. R. Boeke, S. L. Browne, P. H. Roberts, R. E. Ruane, G. A. Tyler, and L. M. Wopat, Nature (London) 353, 144 (1991).
[CrossRef]

A. H. Greenaway, Proc. SPIE 1494, 386 (1991).
[CrossRef]

1990

B. J. Rickett, Annu. Rev. Astron. Astrophys. 28, 561 (1990).
[CrossRef]

Ameer, G. A.

R. Q. Fugate, D. L. Fried, G. A. Ameer, B. R. Boeke, S. L. Browne, P. H. Roberts, R. E. Ruane, G. A. Tyler, and L. M. Wopat, Nature (London) 353, 144 (1991).
[CrossRef]

An, J.

C. E. Max, S. S. Olivier, H. W. Friedman, J. An, K. Avicola, B. V. Beeman, H. D. Bissinger, J. M. Brase, G. V. Erbert, D. T. Gavel, K. Kanz, M. C. Liu, B. Macintosh, K. P. Neeb, J. Patience, and K. E. Waltjen, Science 277, 1649 (1997).
[CrossRef]

Avicola, K.

C. E. Max, S. S. Olivier, H. W. Friedman, J. An, K. Avicola, B. V. Beeman, H. D. Bissinger, J. M. Brase, G. V. Erbert, D. T. Gavel, K. Kanz, M. C. Liu, B. Macintosh, K. P. Neeb, J. Patience, and K. E. Waltjen, Science 277, 1649 (1997).
[CrossRef]

Beeman, B. V.

C. E. Max, S. S. Olivier, H. W. Friedman, J. An, K. Avicola, B. V. Beeman, H. D. Bissinger, J. M. Brase, G. V. Erbert, D. T. Gavel, K. Kanz, M. C. Liu, B. Macintosh, K. P. Neeb, J. Patience, and K. E. Waltjen, Science 277, 1649 (1997).
[CrossRef]

Biraben, F.

R. Foy, A. Migus, F. Biraben, G. Grynberg, P. R. McCullough, and M. Tallon, Astron. Astrophys. Suppl. 111, 569 (1995).

Bissinger, H. D.

C. E. Max, S. S. Olivier, H. W. Friedman, J. An, K. Avicola, B. V. Beeman, H. D. Bissinger, J. M. Brase, G. V. Erbert, D. T. Gavel, K. Kanz, M. C. Liu, B. Macintosh, K. P. Neeb, J. Patience, and K. E. Waltjen, Science 277, 1649 (1997).
[CrossRef]

Boeke, B. R.

R. Q. Fugate, D. L. Fried, G. A. Ameer, B. R. Boeke, S. L. Browne, P. H. Roberts, R. E. Ruane, G. A. Tyler, and L. M. Wopat, Nature (London) 353, 144 (1991).
[CrossRef]

Braham, R.

R. Braham, IEEE Spectrum 34, 26 (1997); also see the other articles in that issue.
[CrossRef]

Brase, J. M.

C. E. Max, S. S. Olivier, H. W. Friedman, J. An, K. Avicola, B. V. Beeman, H. D. Bissinger, J. M. Brase, G. V. Erbert, D. T. Gavel, K. Kanz, M. C. Liu, B. Macintosh, K. P. Neeb, J. Patience, and K. E. Waltjen, Science 277, 1649 (1997).
[CrossRef]

Browne, S. L.

R. Q. Fugate, D. L. Fried, G. A. Ameer, B. R. Boeke, S. L. Browne, P. H. Roberts, R. E. Ruane, G. A. Tyler, and L. M. Wopat, Nature (London) 353, 144 (1991).
[CrossRef]

Erbert, G. V.

C. E. Max, S. S. Olivier, H. W. Friedman, J. An, K. Avicola, B. V. Beeman, H. D. Bissinger, J. M. Brase, G. V. Erbert, D. T. Gavel, K. Kanz, M. C. Liu, B. Macintosh, K. P. Neeb, J. Patience, and K. E. Waltjen, Science 277, 1649 (1997).
[CrossRef]

Foy, R.

R. Foy, A. Migus, F. Biraben, G. Grynberg, P. R. McCullough, and M. Tallon, Astron. Astrophys. Suppl. 111, 569 (1995).

Fried, D. L.

R. Q. Fugate, D. L. Fried, G. A. Ameer, B. R. Boeke, S. L. Browne, P. H. Roberts, R. E. Ruane, G. A. Tyler, and L. M. Wopat, Nature (London) 353, 144 (1991).
[CrossRef]

Friedman, H. W.

C. E. Max, S. S. Olivier, H. W. Friedman, J. An, K. Avicola, B. V. Beeman, H. D. Bissinger, J. M. Brase, G. V. Erbert, D. T. Gavel, K. Kanz, M. C. Liu, B. Macintosh, K. P. Neeb, J. Patience, and K. E. Waltjen, Science 277, 1649 (1997).
[CrossRef]

Fugate, R. Q.

M. C. Roggermann, B. M. Welsh, and R. Q. Fugate, Rev. Modern Phys. 69, 437 (1997).
[CrossRef]

R. Q. Fugate, D. L. Fried, G. A. Ameer, B. R. Boeke, S. L. Browne, P. H. Roberts, R. E. Ruane, G. A. Tyler, and L. M. Wopat, Nature (London) 353, 144 (1991).
[CrossRef]

Gavel, D. T.

C. E. Max, S. S. Olivier, H. W. Friedman, J. An, K. Avicola, B. V. Beeman, H. D. Bissinger, J. M. Brase, G. V. Erbert, D. T. Gavel, K. Kanz, M. C. Liu, B. Macintosh, K. P. Neeb, J. Patience, and K. E. Waltjen, Science 277, 1649 (1997).
[CrossRef]

S. S. Olivier and D. T. Gavel, J. Opt. Soc. Am. A 11, 368 (1994).
[CrossRef]

Greenaway, A. H.

A. H. Greenaway, Proc. SPIE 1494, 386 (1991).
[CrossRef]

Grynberg, G.

R. Foy, A. Migus, F. Biraben, G. Grynberg, P. R. McCullough, and M. Tallon, Astron. Astrophys. Suppl. 111, 569 (1995).

Ishimaru, I.

I. Ishimaru, Wave Propagation and Scattering in Random Media (Academic, New York, 1978).

Kanz, K.

C. E. Max, S. S. Olivier, H. W. Friedman, J. An, K. Avicola, B. V. Beeman, H. D. Bissinger, J. M. Brase, G. V. Erbert, D. T. Gavel, K. Kanz, M. C. Liu, B. Macintosh, K. P. Neeb, J. Patience, and K. E. Waltjen, Science 277, 1649 (1997).
[CrossRef]

Liu, M. C.

C. E. Max, S. S. Olivier, H. W. Friedman, J. An, K. Avicola, B. V. Beeman, H. D. Bissinger, J. M. Brase, G. V. Erbert, D. T. Gavel, K. Kanz, M. C. Liu, B. Macintosh, K. P. Neeb, J. Patience, and K. E. Waltjen, Science 277, 1649 (1997).
[CrossRef]

Macintosh, B.

C. E. Max, S. S. Olivier, H. W. Friedman, J. An, K. Avicola, B. V. Beeman, H. D. Bissinger, J. M. Brase, G. V. Erbert, D. T. Gavel, K. Kanz, M. C. Liu, B. Macintosh, K. P. Neeb, J. Patience, and K. E. Waltjen, Science 277, 1649 (1997).
[CrossRef]

Max, C. E.

C. E. Max, S. S. Olivier, H. W. Friedman, J. An, K. Avicola, B. V. Beeman, H. D. Bissinger, J. M. Brase, G. V. Erbert, D. T. Gavel, K. Kanz, M. C. Liu, B. Macintosh, K. P. Neeb, J. Patience, and K. E. Waltjen, Science 277, 1649 (1997).
[CrossRef]

McCullough, P. R.

R. Foy, A. Migus, F. Biraben, G. Grynberg, P. R. McCullough, and M. Tallon, Astron. Astrophys. Suppl. 111, 569 (1995).

Migus, A.

R. Foy, A. Migus, F. Biraben, G. Grynberg, P. R. McCullough, and M. Tallon, Astron. Astrophys. Suppl. 111, 569 (1995).

Neeb, K. P.

C. E. Max, S. S. Olivier, H. W. Friedman, J. An, K. Avicola, B. V. Beeman, H. D. Bissinger, J. M. Brase, G. V. Erbert, D. T. Gavel, K. Kanz, M. C. Liu, B. Macintosh, K. P. Neeb, J. Patience, and K. E. Waltjen, Science 277, 1649 (1997).
[CrossRef]

Olivier, S. S.

C. E. Max, S. S. Olivier, H. W. Friedman, J. An, K. Avicola, B. V. Beeman, H. D. Bissinger, J. M. Brase, G. V. Erbert, D. T. Gavel, K. Kanz, M. C. Liu, B. Macintosh, K. P. Neeb, J. Patience, and K. E. Waltjen, Science 277, 1649 (1997).
[CrossRef]

S. S. Olivier and D. T. Gavel, J. Opt. Soc. Am. A 11, 368 (1994).
[CrossRef]

Patience, J.

C. E. Max, S. S. Olivier, H. W. Friedman, J. An, K. Avicola, B. V. Beeman, H. D. Bissinger, J. M. Brase, G. V. Erbert, D. T. Gavel, K. Kanz, M. C. Liu, B. Macintosh, K. P. Neeb, J. Patience, and K. E. Waltjen, Science 277, 1649 (1997).
[CrossRef]

Ragazzoni, R.

R. Ragazzoni, Astron. Astrophys. 305, L13 (1996).

Rickett, B. J.

B. J. Rickett, Annu. Rev. Astron. Astrophys. 28, 561 (1990).
[CrossRef]

Roberts, P. H.

R. Q. Fugate, D. L. Fried, G. A. Ameer, B. R. Boeke, S. L. Browne, P. H. Roberts, R. E. Ruane, G. A. Tyler, and L. M. Wopat, Nature (London) 353, 144 (1991).
[CrossRef]

Roggermann, M. C.

M. C. Roggermann, B. M. Welsh, and R. Q. Fugate, Rev. Modern Phys. 69, 437 (1997).
[CrossRef]

Ruane, R. E.

R. Q. Fugate, D. L. Fried, G. A. Ameer, B. R. Boeke, S. L. Browne, P. H. Roberts, R. E. Ruane, G. A. Tyler, and L. M. Wopat, Nature (London) 353, 144 (1991).
[CrossRef]

Tallon, M.

R. Foy, A. Migus, F. Biraben, G. Grynberg, P. R. McCullough, and M. Tallon, Astron. Astrophys. Suppl. 111, 569 (1995).

Tyler, G.

Tyler, G. A.

R. Q. Fugate, D. L. Fried, G. A. Ameer, B. R. Boeke, S. L. Browne, P. H. Roberts, R. E. Ruane, G. A. Tyler, and L. M. Wopat, Nature (London) 353, 144 (1991).
[CrossRef]

Waltjen, K. E.

C. E. Max, S. S. Olivier, H. W. Friedman, J. An, K. Avicola, B. V. Beeman, H. D. Bissinger, J. M. Brase, G. V. Erbert, D. T. Gavel, K. Kanz, M. C. Liu, B. Macintosh, K. P. Neeb, J. Patience, and K. E. Waltjen, Science 277, 1649 (1997).
[CrossRef]

Welsh, B. M.

M. C. Roggermann, B. M. Welsh, and R. Q. Fugate, Rev. Modern Phys. 69, 437 (1997).
[CrossRef]

Wopat, L. M.

R. Q. Fugate, D. L. Fried, G. A. Ameer, B. R. Boeke, S. L. Browne, P. H. Roberts, R. E. Ruane, G. A. Tyler, and L. M. Wopat, Nature (London) 353, 144 (1991).
[CrossRef]

Annu. Rev. Astron. Astrophys.

B. J. Rickett, Annu. Rev. Astron. Astrophys. 28, 561 (1990).
[CrossRef]

Astron. Astrophys.

R. Ragazzoni, Astron. Astrophys. 305, L13 (1996).

Astron. Astrophys. Suppl.

R. Foy, A. Migus, F. Biraben, G. Grynberg, P. R. McCullough, and M. Tallon, Astron. Astrophys. Suppl. 111, 569 (1995).

IEEE Spectrum

R. Braham, IEEE Spectrum 34, 26 (1997); also see the other articles in that issue.
[CrossRef]

J. Opt. Soc. Am. A

Nature (London)

R. Q. Fugate, D. L. Fried, G. A. Ameer, B. R. Boeke, S. L. Browne, P. H. Roberts, R. E. Ruane, G. A. Tyler, and L. M. Wopat, Nature (London) 353, 144 (1991).
[CrossRef]

Proc. SPIE

A. H. Greenaway, Proc. SPIE 1494, 386 (1991).
[CrossRef]

Rev. Modern Phys.

M. C. Roggermann, B. M. Welsh, and R. Q. Fugate, Rev. Modern Phys. 69, 437 (1997).
[CrossRef]

Science

C. E. Max, S. S. Olivier, H. W. Friedman, J. An, K. Avicola, B. V. Beeman, H. D. Bissinger, J. M. Brase, G. V. Erbert, D. T. Gavel, K. Kanz, M. C. Liu, B. Macintosh, K. P. Neeb, J. Patience, and K. E. Waltjen, Science 277, 1649 (1997).
[CrossRef]

Other

I. Ishimaru, Wave Propagation and Scattering in Random Media (Academic, New York, 1978).

Committee on Advanced Space Technology (D. Hastings, chair), National Research Council, Space Technology for the New Century (National Academy Press, Washington, D.C., 1998).

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (1)

Fig. 1
Fig. 1

Schematic, not-to-scale diagram of the optical telecommunications beam-relay system. The beam from a laser that is slightly offset from the relay mirror (compensating for aberration) propagates down to the Earth, giving a reference for the adaptive optics at the ground station. The atmospherically compensated uplink communications beam is transmitted to the orbiting relay mirror and then directed to the distant deep-space probe.

Metrics