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Des liaisons laser pour un internet depuis l'espace

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Des liaisons laser pour un internet depuis l'espace

Le transfert de données satellitaires par liaisons laser offre des débits supérieurs aux solutions radiofréquences et une meilleure confidentialité. Des développements technologiques sont à l’étude pour les exploiter dans de futures constellations de satellites en orbite basse.

Deuxième nœud de l’autoroute des données spatiales (SpaceDataHighway), le satellite EDRS-C a été mis en orbite géostationnaire au-dessus de l’Europe, le 6 août. Il a rejoint le satellite EDRS-A, lancé en 2016 et couvrant une zone allant de la côte est de l’Amérique à l’Inde, et il devrait être rejoint à son tour par l’EDRS-D d’ici à 2025. Ce projet commun entre l’Agence spatiale européenne (ESA) et Airbus Defence and Space est décrit comme le premier réseau de fibre optique de l’espace. Il permet de transférer par liaisons laser, dans un délai très court, les images de certains des satellites d’observation de la Terre en orbite basse du programme Copernicus à plusieurs satellites géostationnaires utilisés comme relais vers la Terre.

Si la démonstration du transfert de données satellitaires par liaisons laser remonte à une vingtaine d’années, elle suscite aujourd’hui l’intérêt de la part des opérateurs de satellites de télécommunications. Notamment pour proposer de nouveaux services d’accès à internet et supporter l’essor des objets connectés. En effet, 55 % des foyers dans le monde et 19 % des foyers dans les pays développés n’ont toujours pas accès au haut débit malgré les efforts de déploiement de l’ADSL ou de la fibre optique. De plus, les satellites représentent une alternative dans les zones reculées où l’installation de la fibre coûte cher, et offrent une connexion à internet pour les avions ou les bateaux.

Pour proposer ces nouveaux services, il existe deux architectures opposées mais complémentaires. D’un côté, des gros satellites de 5 à 10 tonnes en orbite géostationnaire fournissant des débits de l’ordre de 1 terabit/s (Tbit/s) et capables de couvrir un continent. De l’autre, des constellations de centaines de petits satellites de 150 à 600 kg en orbite basse offrant des débits unitaires de 10 à 40 gigabits/s (Gbits/s) et atteignant quelques terabits/s sur l’ensemble du globe. Pour des raisons économiques, les liaisons entre le terminal utilisateur et le satellite sont aujourd’hui toujours en radiofréquences (RF). Mais des liaisons laser très haut débit (feeder link) pourraient relier un satellite à sa ou ses station(s) au sol (fig. 1). Pour créer un réseau, les satellites pourraient aussi être interconnectés par des liaisons laser (optical intersatellites link, ou OISL).

1. Fondamentaux : les avantages de la lumière

Par rapport à des solutions RF classiques, les liaisons laser offrent de nombreux avantages. Premièrement, leurs longueurs d’onde étant plus petites, les fréquences optiques sont plus grandes (fig. 2), et les bandes passantes et les débits accessibles significativement plus élevés. En effet, le débit qu’il est possible de faire passer sur une onde électromagnétique – en optique ou en RF – est proportionnel à la bande passante utilisée. Plus celle-ci est grande, plus le débit accessible est grand. Une bande de 1 MHz permet de faire passer un débit de l’ordre de 1 Mbit/s.

Deuxièmement, les longueurs d’onde étant plus petites en optique, les faisceaux générés par les terminaux divergent moins (fig. 2). Cela évite les interférences entre les systèmes et garantit un fort niveau de confidentialité. La divergence d’un faisceau en sortie d’une antenne (en RF) ou d’un télescope (en optique) est décrite par les lois de la diffraction : l’angle du cône formé par le faisceau est proportionnel à ?/D où ? est la longueur d’onde, et D le diamètre de l’antenne ou du télescope. Ainsi un télescope de 10 cm de diamètre générera à 6 000 km une tache d’une centaine de mètres, alors qu’une antenne RF de taille équivalente générera une tache à 1 000 km. Il est alors de possible d’exploiter une même longueur d’onde pour des utilisations très proches sans qu’elles interfèrent. Enfin, les fréquences optiques ne sont pas régulées, alors que l’utilisation des RF pour les satellites devient problématique. Le spectre RF arrive à saturation, notamment à cause de la concurrence des systèmes terrestres tels que la 5G.

Qu’il soit OISL ou feeder link, un lien laser est relativement similaire à un système de télécommunications terrestre fibré. Principale différence, le signal optique ne se propage pas dans une fibre optique mais sous la forme d’un faisceau laser. Cela engendre des difficultés compte tenu de la faible divergence des faisceaux qu’il faut atteindre pour assurer un pointage précis entre les deux terminaux, malgré leurs vitesses relatives, la distance qui les sépare (jusqu’à des dizaines de milliers de kilomètres pour des satellites géostationnaires) et les perturbations de l’atmosphère lors d’une communication avec le sol.

Un terminal laser (fig. 3) permet d’émettre et de recevoir un signal optique transportant un signal haut débit. Dans le sens de l’émission, les signaux RF ou numériques en provenance de la charge utile sont convertis en signaux optiques par des sources laser fibrées avec des débits pouvant atteindre 10 Gbits/s. Afin d’augmenter le débit global, plusieurs sources à des longueurs d’onde différentes peuvent être utilisées en parallèle et combinées dans la même fibre grâce à un multiplexeur. Un étage d’amplification permet ensuite d’atteindre les puissances nécessaires – de l’ordre de quelques watts – étant donné la distance à parcourir par le signal. Un collimateur transforme le signal d’émission qui circule dans une fibre en un faisceau de petit diamètre composé de rayons parallèles en espace libre. Des séparatrices le combinent ou le séparent du faisceau entrant en jouant sur la polarisation et/ou les longueurs d’onde. Un télescope expanseur de faisceau génère alors un faisceau de plus grand diamètre – de 5 à 30 cm – pour limiter sa divergence par diffraction. Enfin, une tourelle avec deux axes assure le pointage grossier vers un autre satellite ou une station au sol.

En réception, le faisceau entrant est collecté par la tourelle et son diamètre réduit par le télescope. Une partie du flux est prélevée pour être imagée sur un détecteur et asservir un mécanisme de pointage fin. La liaison est ainsi optimisée, avec un tracking précis. Le faisceau principal est séparé du faisceau sortant, et un autre mécanisme l’injecte dans une fibre grâce à un collimateur. Le signal, dont la puissance est alors très faible – inférieure au microwatt (µW) –, est pré-amplifié et « démultiplexé », avant d’être reconverti en signal RF ou numérique dans des photodiodes.

Ces systèmes utilisent des longueurs d’onde de 1 550 nm ou 1 064 nm. La première étant celle des systèmes de télécommunications terrestres, l’offre de composants existants est très[…]

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