Relever les défis de la communication optique espace-terre

Quiconque possède une antenne parabolique à la maison dépend de la communication radio entre un satellite géostationnaire et la Terre. Les services par satellite grand public sont capables de diffuser simultanément des centaines de chaînes de télévision à haute et à définition standard sur une liaison RF fiable dans presque toutes les conditions, à l'exception des fortes pluies.

La communication radio par satellite est en fait largement utilisée dans l'industrie et le gouvernement pour les transferts de données à large bande passante. Mais que se passe-t-il lorsque même cette bande passante ne suffit pas ? C'est le problème auquel est confrontée l'Agence spatiale européenne (ESA), une institution soutenue par 22 États membres européens, dont la mission est de repousser les frontières de la science et de la technologie et de promouvoir la croissance économique en Europe.

Tout comme dans les réseaux terrestres, les besoins en bande passante dans les communications par satellite augmentent rapidement et les liaisons radio ne seront bientôt plus en mesure de répondre à la demande. En effet, la bande passante dépend de la fréquence porteuse. Dans les communications radio, le plafond des fréquences porteuses est d'environ 30 GHz, tandis que dans les communications optiques, les fréquences porteuses sont supérieures de quatre ordres de grandeur, avec des largeurs de bande proportionnellement plus élevées.

Les satellites géostationnaires du système européen de relais de données (EDRS) utilisent déjà des liaisons optiques pour communiquer avec une constellation de satellites européens en orbite terrestre basse (LEO) appelés Sentinels, dont la mission est de surveiller la Terre. Cependant, les satellites EDRS utilisent aujourd'hui la communication radio pour télécharger les images des satellites LEO et d'autres données vers des serveurs terrestres.

Mais dans un avenir prévisible, la quantité d'informations provenant des satellites LEO et géostationnaires et des constellations de satellites deviendra si importante que la bande passante de ses liaisons de radiocommunication sera trop faible. Alors, qu'est-ce qui vient ensuite?

La communication optique par laser est la réponse évidente puisqu'il s'agit d'une technique déjà utilisée pour transférer des données entre les satellites LEO et le réseau EDRS. Et la communication optique, qui constitue l'épine dorsale d'Internet, est une technologie éprouvée sur Terre. Les câbles à fibres optiques qui parcourent le fond des océans et traversent les continents sont le support par lequel des milliards de pages vues sont servies chaque jour sur les écrans d'ordinateurs et de smartphones.

Ainsi, la communication par fibre optique est une technologie éprouvée qui offre une bande passante extraordinairement élevée. Mais les communications optiques dans l'espace libre entre la Terre et un satellite, ou entre satellites, nécessitent une technologie laser spéciale - et un équipement de mesure incroyablement précis.

Les signaux optiques transmis entre la Terre et l'espace sont soumis à des interférences provenant de diverses sources - la difficulté à maintenir une liaison optique y est bien plus grande que pour la communication optique satellite à satellite, car dans l'espace il n'y a pas de nuages ​​ou d'autres phénomènes météorologiques, ou en effet tout autre objet, pour interférer avec leurs signaux.

Les systèmes de communication optique doivent atteindre un rapport signal/bruit suffisant pour maintenir la liaison entre l'émetteur et le récepteur. Dans l'EDRS de l'ESA, les signaux sont transmis à une longueur d'onde infrarouge très précisément spécifiée de 1064,625 nm ± 11 pm, avec une variance presque nulle dans la longueur d'onde maximale. Cela permet au récepteur de se verrouiller sur le signal à bande étroite transmis et d'éliminer les signaux parasites. Grâce à cette technologie, le satellite EDRS peut fonctionner même lorsque le soleil est dans sa ligne de mire.

L'ESA met en œuvre une technologie de communications optiques Terre-satellite dans sa station terrestre optique (OGS) sur l'île espagnole de Tenerife et au télescope Aristarchos de 2,2 m à l'observatoire Helmos dans le Péloponnèse en Grèce.

Le maintien de la longueur d'onde exacte de l'émetteur est une partie essentielle du fonctionnement du système Aristarchos. Pour ce faire, l'ESA utilise un arrangement complexe dans lequel le laser émetteur, un soi-disant oscillateur en anneau non planaire fait de grenat d'yttrium et d'aluminium dopé au néodyme, est pompé par une diode laser de 808 nm pour générer une sortie précise de 1064,625 nm ± 23 h. . Cette précision de la longueur d'onde est contrôlée en ajustant la température de fonctionnement du laser émetteur.

Le réglage du laser est une partie essentielle du fonctionnement du système Aristarchos, garantissant que la sortie du laser est centrée précisément à la longueur d'onde requise. Cela signifie que l'équipe de l'ESA a besoin d'une méthode précise et précise pour mesurer la longueur d'onde de la sortie du laser en temps réel.

Dans la configuration de test de l'ESA, l'instrument de mesure optique est connecté au laser de l'oscillateur en anneau non plan pour échantillonner sa sortie. L'exigence est de vérifier que la longueur d'onde maximale est centrée précisément sur la cible, 1064,625 nm ± 11 pm.

La mesure des systèmes de communications optiques est généralement effectuée à l'aide d'un analyseur de spectre optique (OSA), un instrument très précis et fiable qui analyse la longueur d'onde optique, entre autres facteurs.

Les OSA tels que l'AQ6370D de Yokogawa Test & Measurement Corporation, Tokyo, Japon, atteignent une précision de mesure de longueur d'onde de ± 10 pm à une longueur d'onde de référence de 1550 nm et de ± 100 pm à 1064,625 nm. Bien que cela soit très précis, il n'est toujours pas assez précis pour répondre aux exigences de l'installation d'Aristarchos.

Zoran Sodnik est responsable de la technologie des communications optiques à la direction des télécommunications et des applications intégrées de l'ESA. Il est responsable du système de communication optique installé avec le télescope Aristarchos. Said Sodnik : "L'EDRS fonctionne à des fréquences mesurées en multiples de térahertz et les longueurs d'onde de l'émetteur et du récepteur ne sont pas séparées de plus de 28 Gigahertz. Cela signifie que la fréquence du laser doit être réglée avec une précision de Gigahertz, puis mesurée avec le même niveau de précision et exactitude."

En collaboration avec Simac Electronics, un fournisseur néerlandais de technologies de connectivité et de mesure, l'ESA a sélectionné un mesureur de longueur d'onde optique spécialisé, l'AQ6151B de Yokogawa. L'instrument utilise un interféromètre de Michelson, capable de mesurer très précisément la longueur d'onde. Sa précision est spécifiée à ±0,2 ppm. L'installation Aristarchos utilise la version Wide Range, couvrant les longueurs d'onde de 900 nm à 1700 nm. Il a également la capacité d'acquérir, d'analyser et de transférer une mesure vers un PC en 0,2 seconde grâce à ses fonctions d'analyse intégrées. En plus d'une grande précision, l'instrument peut effectuer des mesures simultanées jusqu'à 1024 longueurs d'onde et peut gérer une puissance de signal d'entrée aussi faible que -40 dBm.

L'installation à l'observatoire Helmos fait partie d'un projet à long terme visant à renforcer la capacité de communication optique de l'ESA pour les communications sol-satellite. L'installation du télescope Aristarchos utilise la précision de ± 0,2 ppm de l'AQ6151B pour régler la sortie laser. Finalement, soutenu par la précision de la technologie Yokogawa, il est envisagé que les communications optiques pourraient prendre en charge le trafic à large bande passante des systèmes de communication radio.

Selon Sodnik, l'ESA s'attend à ce que la transmission optique puisse prendre en charge la gestion du trafic à large bande passante, remplaçant la communication radio comme principal moyen d'envoyer et de recevoir des données à partir de satellites.

Cet article a été rédigé par Kelvin Hagebeuk, Marketing Manager — Test & Measurement, Yokogawa Europe BV Pour plus d'informations, rendez-vous ici .

Cet article est paru pour la première fois dans le numéro de septembre 2022 du magazine Photonics & Imaging Technology.

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