Komunikasi aeronautika dan ruang angkasa mungkin sangat menguntungkan dari penelitian dan pengembangan komunikasi laser saat ini. Motivasi untuk menggunakan frekuensi untuk aplikasi aeronautika dan ruang dalam spektrum optik sangat penting. Untuk ukuran antena yang sama, keuntungan dari panjang gelombang yang lebih pendek menjadi jelas karena kekuatan sinyal yang diterima berbanding terbalik dengan kuadrat panjang gelombang, yaitu efisiensi kopling secara signifikan lebih tinggi dan antena dapat dikonstruksi menjadi jauh lebih kecil. Sistem FSO Aerospace juga mendapat manfaat dari kemajuan saat ini yang dibuat dalam teknologi komunikasi serat optik karena sejumlah perangkat dapat dengan mudah digunakan dalam sistem FSO untuk aplikasi troposfer dan aerospace.

Ada sejumlah aplikasi untuk FSO di bidang komunikasi kedirgantaraan termasuk link angkasa-tanah, link udara-antariksa, link antar-udara dan link udara-darat. Penelitian paling awal pada komunikasi laser ruang angkasa dilakukan di AS dalam kerangka program pengembangan yang baru, yang berhubungan dengan penelitian tentang sumber laser dan teknologi terminal. Penelitian dan pengembangan awal di Eropa menghasilkan sistem satelit untuk transmisi data antara satelit LEO (Spot-4) dan GEO (Artemis) dalam proyek SILEX (Semiconductor Inter-satellite Link Experiment). Selanjutnya, pengembangan dan pengaturan stasiun bumi optik di situs astronomi di Tenerife, digunakan untuk melakukan verifikasi di-orbit dan perjalanan pengukuran angkasa-darat. Satelit Artemis juga digunakan untuk percobaan dengan satelit OICET Jepang (Optical Inter-Orbit Communications Engineering Test Satellite). Satelit ini juga bertindak sebagai sumber uji untuk berbagai perjalanan pengukuran LEO-ground dengan stasiun bumi di Jepang, Jerman, Tenerife, dan Amerika Serikat.

FSO juga telah digunakan sebagai komunikasi ultra-long (> 10.000 km) yang kuat untuk komunikasi stasiun bumi-ke-satelit dan satelit-ke-satelit serta komunikasi intraplanet. Pada tahun 2001, sebuah link FSO dengan data rate 50 Mbps telah berhasil dibangun antara satelit geostasioner ARTEMIS dan satelit observasi Bumi-SPOT-4 di orbit rendah bumi yang sinkron dengan matahari.

European data relay system (EDRS) adalah sistem satelit yang saat ini sedang dikembangkan, yang akan digunakan untuk menyampaikan informasi dua arah satelit non-geostasioner, pesawat ruang angkasa, kendaraan-kendaraan lain dan stasiun bumi. Sistem ini menyebarkan tiga satelit GEO, dilengkapi dengan link antar satelit OWC dan link Ka-band untuk link antar-angkasa. Pada tahun 2013, demonstrasi komunikasi laser Bulan Lunar NASA, yang menggunakan komunikasi FSO antara Bulan ke Bumi telah dibuktikan memiliki laju data sebesar 622 Mbps sejauh rentang transmisi 384.600 km. Diharapkan OWC akan terus menjadi teknologi utama yang memungkinkan hubungan ruang angkasa dan satelit.

Sistem koheren mempunyai masalah dalam penelitian dan pengembangan karena memiliki sensitivitas yang lebih tinggi dan efisiensi spektral dengan “harga” peningkatan kompleksitas. Dalam prakteknya, untuk hubungan komunikasi yang melewati atmosfir, turbulensi udara yang jelas akan menyebabkan distorsi fase yang serius dan memudar, sehingga mempengaruhi kinerja penerima yang koheren. Dampak distorsi fase dan kilau dapat dikurangi dengan menggunakan penerima array atau optik adaptif . Sistem koheren secara eksperimental didemonstrasikan antara dua terminal pada satelit LEO TerraSAR-X dan NFIRE (Near Field Infrared Experiment). Verifikasi dalam orbit juga dilakukan dengan eksperimen LEO-ground. Terminal laser jenis ini sekarang terintegrasi dalam berbagai satelit yang dapat menggunakan sistem EDRS. Link laser antar satelit dan link satelit-bumi dengan Ka-band digabungkan bersama data observasi Earth relay dari LEO melalui GEO ke ground. Link feeder optik dari ground ke GEO (terutama sistem dengan datarate Tbps) masih berada di bawah penelitian. Ada juga sejumlah penelitian yang bekerja pada sistem LEO-ground termasuk terminal dengan “optical payload for Lasercomm science” di stasiun ruang angkasa internasional, orang-orang Rusia dalam “on-board laser communication terminal” yang tergabung dalam ISS serta satelit Cina dengan Haiyang 2. Komunikasi FSO terpanjang hingga saat ini ditunjukkan antara bulan dan Bumi dengan terminal laser pada satelit “lunar atmosphere and dust environmental explorer”

Selain koneksi udara-ke-udara,link dari udara ke bumi juga diteliti untuk berbagai aplikasi, misalnya untuk transmisi data sensor dengan tujuan pemantauan lalu lintas atau pengawasan. “Terminal udara” diuji dan menunjukan berbagai hasil eksperimen yang melibatkan pesawat yang berbeda, di mana pelacakan dan komunikasi dapat dicapai dengan menggunakan terminal optik yang dipasang di Boeing 767-200, pesawat BAC 1-11, kendaraan udara tak berawak Altair, dan jet tempur tornado.