Affrontare le sfide per la comunicazione ottica spazio-terra

Chiunque abbia un'antenna parabolica in casa dipende dalla comunicazione radio tra un satellite geostazionario e la Terra. I servizi satellitari consumer sono in grado di trasmettere simultaneamente centinaia di canali TV ad alta e standard definizione su un collegamento RF affidabile in quasi tutte le condizioni tranne la forte pioggia.

La comunicazione radio satellitare è infatti ampiamente utilizzata nell'industria e nel governo per trasferimenti di dati a larghezza di banda elevata. Ma cosa succede quando anche questa larghezza di banda non è sufficiente? Questo è il problema affrontato dall’Agenzia spaziale europea (ESA), un’istituzione sostenuta da 22 Stati membri europei, la cui missione è allargare le frontiere della scienza e della tecnologia e promuovere la crescita economica in Europa.

Come nelle reti terrestri, anche nelle comunicazioni via satellite la richiesta di larghezza di banda aumenta rapidamente e presto i collegamenti radio non saranno più in grado di soddisfare la domanda. Questo perché la larghezza di banda dipende dalla frequenza portante. Nella comunicazione radio il limite massimo per le frequenze portanti è di circa 30 GHz, mentre nella comunicazione ottica le frequenze portanti sono quattro ordini di grandezza più alte, con larghezze di banda corrispondentemente più elevate.

I satelliti geostazionari dell'European Data Relay System (EDRS) utilizzano già collegamenti ottici per comunicare con una costellazione di satelliti europei in orbita terrestre bassa (LEO) chiamati Sentinel, il cui compito è monitorare la Terra. Tuttavia, i satelliti EDRS oggi utilizzano la comunicazione radio per caricare le immagini dei satelliti LEO e altri dati sui server terrestri.

Ma nel prossimo futuro la quantità di informazioni provenienti da LEO, dai satelliti geostazionari e dalle costellazioni satellitari diventerà così grande che la larghezza di banda dei suoi collegamenti di comunicazione radio sarà troppo bassa. Allora, cosa verrà dopo?

La comunicazione ottica basata su laser è la risposta ovvia poiché si tratta di una tecnica già utilizzata per trasferire dati tra i satelliti LEO e la rete EDRS. E la comunicazione ottica, che costituisce la spina dorsale di Internet, è una tecnologia collaudata sulla Terra. I cavi in ​​fibra ottica che corrono sul fondo degli oceani e attraversano i continenti sono il mezzo attraverso il quale ogni giorno miliardi di pagine visualizzate vengono visualizzate sugli schermi di computer e smartphone.

Pertanto, la comunicazione tramite fibra ottica è una tecnologia collaudata che offre una larghezza di banda straordinariamente elevata. Ma le comunicazioni ottiche nello spazio libero tra la Terra e un satellite, o tra satelliti, richiedono una speciale tecnologia laser e uno strumento di misurazione incredibilmente preciso.

I segnali ottici trasmessi tra la Terra e lo spazio sono soggetti a interferenze provenienti da varie fonti: la difficoltà nel mantenere un collegamento ottico è molto maggiore rispetto alla comunicazione ottica da satellite a satellite, poiché nello spazio non ci sono nuvole o altri fenomeni meteorologici, oppure anzi qualsiasi altro oggetto, per interferire con i loro segnali.

I sistemi di comunicazione ottica devono raggiungere un rapporto segnale-rumore sufficiente per mantenere il collegamento tra trasmettitore e ricevitore. Nell'EDRS dell'ESA, i segnali vengono trasmessi a una lunghezza d'onda dell'infrarosso specificata in modo molto preciso di 1064,625 nm ± 11 pm, con una variazione quasi nulla nella lunghezza d'onda di picco. Ciò consente al ricevitore di agganciarsi al segnale trasmesso a banda stretta ed eliminare i segnali interferenti. Con questa tecnologia, il satellite EDRS può funzionare anche quando il sole è nel suo campo visivo.

L'ESA sta implementando la tecnologia di comunicazione ottica Terra-satellite nella sua stazione ottica di terra (OGS) sull'isola spagnola di Tenerife e nel telescopio Aristarchos da 2,2 m presso l'osservatorio Helmos nel Peloponneso in Grecia.

Mantenere l'esatta lunghezza d'onda del trasmettitore è una parte fondamentale del funzionamento del sistema Aristarcos. Per raggiungere questo obiettivo, l'ESA utilizza una disposizione complessa in cui il laser del trasmettitore, un cosiddetto oscillatore ad anello non planare realizzato in granato di ittrio e alluminio drogato al neodimio, viene pompato da un diodo laser da 808 nm per generare un'uscita accurata di 1064,625 nm ± 11 pm. . Questa precisione della lunghezza d'onda è controllata regolando la temperatura operativa del laser trasmettitore.