宇宙空間におけるレーザー通信

1968年1月20日、サーベイヤー7号月着陸船のテレビカメラは、アリゾナ州のキットピーク国立天文台とカリフォルニア州ライトウッドのテーブルマウンテン天文台からの2つのアルゴンレーザーを検出することに成功した。^{[ 3 ]}

1992年、ガリレオ探査機は地球からのレーザー光の片方向検出に成功したことを証明した。地上の2つのレーザーが、往路探査機によって6,000,000 km (3,700,000 mi)の距離から観測された。 ^{[ 4 ]}  

宇宙からのレーザー通信リンクの最初の成功例は、1995年に日本がNASDAのETS-VI GEO衛星と東京にある国立情報通信研究機構（NICT）の1.5m （4フィート11インチ）の光地上局との間で行い、1 Mbit/sを達成した。^{[ 5 ]}   

2001年11月、欧州宇宙機関（ESA）の衛星アルテミスにより、世界初のレーザー衛星間リンクが宇宙空間で実現し、 CNES地球観測衛星SPOT 4との光データ伝送リンクが提供された。^{[ 6 ]} 40,000 km（25,000マイル）の距離で50 Mbpsを達成し、これはLEO-GEOリンクの距離に相当する。^{[ 7 ]} 2005年以降、アルテミスは日本の光軌道間通信技術試験衛星「きらり」からの双方向光信号を中継している。^{[ 8 ]}  

2005年5月、 MESSENGER探査機に搭載された水星レーザー高度計によって、双方向通信距離の記録が樹立されました。水星周回ミッション用のレーザー高度計として設計されたこのダイオード励起赤外線ネオジムレーザーは、探査機がフライバイで地球に接近した際に、24,000,000 km (15,000,000 mi)の距離を越えて通信することができました。 ^{[ 9 ]}  

2006年、日本はJAXAのOICETS低軌道衛星とNICTの光地上局から、初の低軌道から地上へのレーザー通信ダウンリンクを実施した。 ^{[ 10 ]}

2008年、ESAはLEO-GEOリンクの距離である40,000 km (25,000 mi)にわたって1.8 Gbit/sを伝送するように設計されたレーザー通信技術を使用しました。このような端末は、ドイツのレーダー衛星TerraSAR-Xとアメリカの近距離赤外線実験衛星(NFire)を使用した軌道上検証中に正常にテストされました。これらのテストで使用された2つのレーザー通信端末(LCT) ^{[ 11 ]}は、ドイツ航空宇宙センター(DLR) ^{[ 13 ]}と協力してドイツの企業Tesat-Spacecom ^{[ 12 ]}によって製造されました。  

2013年1月、NASAはレーザーを用いてモナ・リザの画像を、NASAの地上ゴダード宇宙飛行センターにある次世代衛星レーザー測距（NGSLR）ステーションから約39万km（24万マイル）離れた月周回衛星（LRO）に夜間に照射した。大気干渉を補正するために、 CDで使用されているものと同様の誤り訂正符号アルゴリズムが実装された。^{[ 14 ]}  

2013年9月、レーザー通信システムは、NASAのLADEE（月大気塵環境探査機）ミッションで打ち上げられた4つの科学機器のうちの1つでした。月への1か月の航行と40日間の宇宙船チェックアウトの後、2013年後半から2014年前半にかけて3か月間、昼間のレーザー通信実験が行われました。^{[ 15 ]} LADEEの月レーザー通信実証（LLCD）機器から返された初期データは、2013年10月に宇宙通信帯域幅の記録を樹立しました。これは、月と地球間の385,000 km（239,000マイル）を越えてデータを送信するためにパルスレーザービームを使用した初期のテストで、「記録破りのダウンロード速度622メガビット/秒（Mbps）」でデータが通過し、^{[ 16 ]}また、地球の地上局から月周回軌道上のLADEEへの20 Mbit/sのエラーのないデータアップロード速度も実証されました。 LLCDは、電波の代わりに光レーザーを使用した双方向宇宙通信のNASA初の試みであり、将来的にNASA衛星での実用レーザーシステムにつながると期待されている。^{[ 16 ]}   

2013 年 11 月、ジェット機プラットフォームTornadoからのレーザー通信が初めて実証されました。ドイツ企業Mynaric (旧 ViaLight Communications) のレーザー端末を使用して、昼間に 60 km の距離で 800 km/h の飛行速度で 1 Gbit/sの速度でデータを送信しました。このシナリオでは、高速飛行操作、強い振動、大気乱流の影響などの追加の課題がありました。この実証はEADS Cassidian Germanyの資金提供を受け、ドイツ航空宇宙センター DLRとの協力のもとで行われました。^{[ 17 ] [ 18 ] [ 19 ]}  

2014 年 11 月、欧州データ中継システム(EDRS)の一部としてギガビット レーザー ベース通信が初めて使用されました。 ^{[ 20 ]} 2014 年に、さらにシステムと運用サービスのデモンストレーションが行われました。LEO の EU Sentinel-1A衛星からのデータは、光リンクを介して GEO の ESA-Inmarsat Alphasatに送信され、その後、従来のKa バンドダウンリンクを使用して地上局に中継されました。この新しいシステムは、最大 7.2  Gbit/s の速度を提供できます。^{[ 21 ]} Alphasat のレーザー端末は TDP-1 と呼ばれ、現在も定期的にテストに使用されています。生産的に使用される最初の EDRS 端末 (EDRS-A) は、Eutelsat EB9B 衛星のペイロードとして打ち上げられ、2016 年 12 月に稼働を開始しました。^{[ 22 ]}これは、Sentinel 1A/B および Sentinel 2A/B 衛星から地上に大量のデータを定期的にダウンロードします。これまでに（2019年4月）20,000以上のリンク（11 PBit）が実行されました。^{[ 23 ]} 2023年5月現在、EDRSは100万分以上の通信^{[ 24 ]}と50,000以上の衛星間リンクの成功を達成しています。^{[ 25 ] [ 26 ]}

2014年12月、NASAのレーザー通信科学用光学ペイロード（OPALS）は、宇宙から地上へのレーザー通信で、毎秒400メガビットの速度でダウンロードするという画期的な成果を発表しました。このシステムは、雲に覆われて信号が失われた後でも追跡を再取得することができます。^{[ 27 ]} OPALS実験は、宇宙から地球へデータを送信するためにレーザーを使用する可能性をさらにテストするために、2014年4月18日に国際宇宙ステーション（ISS）に打ち上げられました。^{[ 28 ]}

日本の小型衛星（SOCRATES ）を用いた初のLEO-地上レーザー通信の実証実験は2014年にNICTによって実施され^{[ 29 ]}、2016年には同じ衛星を用いて宇宙からの初の量子限界実験が行われた^{[ 30 ]。}

2016年2月、Google Xは、 Project Loonの一環として、成層圏気球2機間で100km （62マイル）の距離にわたる安定したレーザー通信接続を実現したと発表した。この接続は数時間にわたり、昼夜を問わず安定しており、データレートは155Mbit /sに達した。^{[ 31 ]}   

2018 年 6 月、Facebook の Connectivity Lab ( Facebook Aquilaに関連) はMynaricと共同で双方向 10 Gbit/s の空中対地接続を達成したと報告された。テストは、通常のセスナ機から9 km (5.6 mi)離れた光地上局で行われた。テストシナリオは成層圏のターゲットプラットフォームよりもプラットフォームの振動、大気乱流、角速度プロファイルが悪かったが、アップリンクは完璧に機能し、常に 100% のスループットを達成した。ダウンリンクのスループットは、理想的でないソフトウェアパラメータのために時折約 96% まで低下したが、これは簡単に修正できると言われている。^{[ 32 ]}  

2020年4月、JAXAとソニーコンピュータサイエンス研究所が開発した国際宇宙ステーション用小型光リンク（SOLISS）により、ISSと日本の情報通信研究機構の望遠鏡との間で双方向通信が確立された。 ^{[ 33 ]}

2020年11月29日、日本は高速レーザー通信技術を搭載した衛星間光データ中継静止軌道衛星LUCAS（Laser Utilizing Communication System）を打ち上げた。 ^{[ 34 ] [ 35 ]}

2021年6月、米国宇宙開発庁は、衛星と遠隔操作のMQ-9リーパー間のレーザー通信リンクを実証するために、 2機の12Uキューブサットを太陽同期軌道に打ち上げた。^{[ 37 ]}

2021年12月7日、NASAのレーザー通信中継実証機（LCRD）が、静止軌道と地球表面間の通信を目的として、米空軍のSTP-3計画の一環として打ち上げられた。

2022年5月、テラバイト赤外線配信（TBIRD）が（ PTD-3で）打ち上げられ、  300マイルの軌道からカリフォルニアまで100 Gbit/sの通信をテストした。^{[ 38 ]}

深宇宙でのレーザー通信は、2023年に打ち上げられた小惑星帯の小惑星16プシケへのプシケミッションでテストされる予定です。 ^{[ 39 ]}このシステムは深宇宙光通信（DSOC）と呼ばれ、 ^{[ 40 ]}従来の方法に比べて宇宙船の通信性能と効率を10～100倍向上させることが期待されています。^{[ 40 ] [ 39 ]} 2024年4月、プシケ宇宙船は1億4000万マイルの距離でテストを成功裏に完了しました。^{[ 41 ]}

日本の情報通信研究機構（NICT）は、2022年にETS-9（エンジニアリングテスト衛星IX）に搭載された HICALI（High-speed Communication with Advanced Laser Instrument）レーザー通信端末を用いて、静止軌道と地上間の最速双方向レーザー通信リンク（10 Gbit/s）を実証する予定である^{[ 42 ]。}また、その1年後には、低軌道（LEO）のCubeSatと静止軌道（GEO）のHICALIとの間で、同じ高速の衛星間リンクを初めて実証する予定である[43]。^2024年5月現在 CubeSatに対応したフルトランシーバータイプの端末が設計され、開発中である。CubeSOTAは、2025年度中にこの端末を搭載して打ち上げられ、「LEO-地上、LEO-HAPS、LEO-LEOなど様々なシナリオを実証する」予定である。CubeSOTAは「端末の軌道上での初の検証」となる。^{[ 44 ]}

LunaNetは、NASAとESAが共同で進めているプロジェクトであり、月周回軌道上の宇宙船や施設向けに「月面インターネット」を提供することを目的としたデータネットワークの構想である。このシステムの仕様には、地球と月の間の通信、および月衛星と月面の間の通信のための光通信が含まれている。

複数の企業や政府機関が、低軌道衛星群にレーザー通信技術を導入し、世界規模の高速インターネット接続を提供することを目指している。同様の構想は、航空機や成層圏プラットフォームのネットワークにも応用が検討されている。

これらのプロジェクトが完全に実現すれば、レーザー通信機器の大きな市場が確立される可能性がある。^{[ 73 ]}機器サプライヤーによる新たな技術進歩により、レーザー通信が可能になり、コストも削減されている。ビーム変調、ソフトウェア、ジンバルなどが改良されている。冷却の問題は解決され、光子検出技術も向上している。現在、この市場で活躍している注目すべき企業には、以下のような企業がある。