L’ESA règle les lasers communiquant avec les satellites avec des OSA de Yokogawa Electric

L’Agence spatiale européenne (ESA) utilise la précision des analyseurs de spectre optiques (OSA) du Japonais pour régler précisément les lasers utilisés dans les communications entre la Terre et l’espace, mises en œuvre dans le système européen de relais de données par satellite (EDRS).

Article adapté par Cédric Lardière

L’Agence spatiale européenne (ESA) gère un réseau de satellites géostationnaires connu sous le nom de système européen de relais de données par satellite (European Data Relay Satellite System ou EDRS). Ces satellites communiquent avec une constellation d’autres satellites européens à orbite terrestre basse (Low Earth Orbit ou LEO), appelés Sentinels et utilisés pour des applications de surveillance de notre planète. Pour cela, les EDRS envoient les images et les données des satellites LEO vers les serveurs terrestres par le biais d’ondes radio.

Le défi auquel est actuellement confronté l’ESA est le suivant : un accroissement des informations émises par les satellites LEO, les satellites géostationnaires et les constellations de satellites impliquent que la bande passante dédiée aux communications radio, et donc au transfert de données, sera bientôt trop faible pour répondre aux besoins de l’agence. La communication optique via laser est la solution qui est apparue alors comme la plus évidente. Cette technique est déjà mise en œuvre dans le transfert de données entre les satellites LEO et le réseau EDRS. La communication optique est également une technologie éprouvée sur Terre et constitue aujourd’hui la colonne vertébrale d’Internet.

Cependant, les communications optiques en espace libre entre la Terre et les satellites nécessite une technologie laser spécifique. Ceci s’explique du fait que les signaux optiques transmis entre la Terre et l’espace sont sujets aux interférences causées par différentes sources, comme les nuages et autres phénomènes météorologiques. De plus, de par leur mode de propagation, les signaux optiques se propageant dans l’espace ne peuvent pas être protégés des interférences optiques provoquées par des sources externes, comme on le fait sur Terre en utilisant des fibres optiques.

Une longueur d’onde précise de 1 064,625 nm ± 11 pm

Les systèmes de communication optiques doivent donc présenter un rapport signal sur bruit suffisant pour maintenir le lien entre émetteur et récepteur. Au travers du EDRS de l’Agence spatiale européenne, les signaux sont transmis par une longueur d’onde précisément définie dans l’infrarouge, de 1 064,625 nm ± 11 pm. Ceci avec une dérive proche de zéro pour le pic de longueur d’onde. Cela permet au récepteur de se verrouiller sur cette plage étroite de longueur d’onde et d’éliminer les interférences. Avec cette technologie, les satellites EDRS peuvent ainsi opérer même quand le soleil est dans leur champ de vision.

L’ESA implémente des technologies de communications optiques Terre-satellite dans sa station optique au sol (Optical Ground Station ou OGS), basée sur l’île espagnole de Tenerife ainsi qu’à l’observatoire Chelmos de la péninsule du Péloponnèse en Grèce, où se trouve le télescope Aristarchos de 2,2 m de diamètre. Maintenir avec exactitude la longueur d’onde du transmetteur est toutefois une des tâches critiques du système d’exploitation d’Artistarchos. Cette opération est obtenu par pompage optique du laser transmetteur, pompage réalisé avec une diode laser émettant à 808 nm afin de générer une émission précise à 1 064,625 nm ± 11 pm.

Les mesures d’un système de communication optique sont généralement effectuées grâce à un analyseur de spectre optique (OSA), un instrument qui mesure notamment la longueur d’onde du signal émis. Les analyseurs de spectre optiques, tels que l’AQ6370D du Japonais Yokogawa Electric, permet de mesurer cette longueur d’onde avec une précision de ±10 pm, à la longueur d’onde de référence de 1 550 nm, et de ±100 pm, à 1 064,625 nm. Bien que cette mesure soit très précise, elle ne l’est pas assez au regard des exigences de l’installation d’Artistarchos.

En tant que responsable des technologies de communication optique au sein de la direction des télécommunications et applications intégrées de l’Agence spatiale européenne, Zoran Sodnik est en charge du système de communication optique installé avec le télescope Aristarchos. Selon lui, « l’EDRS opère à des fréquences mesurées en multiples de térahertz, et les longueurs d’ondes de l’émetteur et du transmetteur ne sont pas éloignées de plus de 28 GHz. Cela signifie que la fréquence du laser doit être réglée avec une précision de l’ordre du gigahertz, puis mesurée avec le même niveau de précision et d’exactitude ».

Collaboration entre Simac Electronics et Yokogawa Electric

Travaillant avec le Néerlandais Simac Electronics, un fournisseur de produits de connectivité et d’instruments de métrologie, l’ESA a sélectionné un instrument spécialisé : le mesureur de longueur d’onde, ou lambdamètre, AQ6151B de Yokogawa Electric. Reposant sur le principe de l’interféromètre de Michelson, cet appareil est capable de mesurer très précisément une longueur d’onde. Avec ce modèle haute précision de la série des AQ6150, la précision atteint ±0,2 ppm. L’installation Aristarchos utilise la version large bande, couvrant ainsi les longueurs d’onde allant de 900 à 1 700 nm.

La série AQ6150 regroupe des instruments rapides, avec la possibilité de mesurer, d’analyser et de transférer les mesures vers un PC dans un délai de seulement 0,2 seconde. En plus d’une haute précision, les modèles AQ6150 est capable de mesurer simultanément jusqu’à 1 024 longueurs d’ondes et de détecter des signaux à partir d’une puissance aussi faible que -40 dBm. Enfin, l’AQ6151B est très facile d’utilisation et intègre différentes fonctions d’analyse, qui ne nécessite aucune programmation.

« L’ESA a beaucoup utilisé par le passé des instruments de Yokogawa Electric et les a toujours trouvé précis et fiables. La dernière installation de l’observatoire Chelmos demandait une précision extrême. Je n’ai eu aucune hésitation en choisissant un produit de Yokogawa Electric, il a entièrement satisfait mes attentes », affirme Zoran Sodnik. En utilisant la haute précision de l’AQ6151B pour régler son laser, l’Agence spatiale européenne s’attend à ce que les transmissions optiques supportent la charge toujours plus importante des bandes passantes, prenant ainsi la place des communications radios dans le cadre des échanges avec les satellites.